DE102016212423A1 - Radiation detector and manufacture - Google Patents
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Abstract
Ein Strahlungsdetektor beinhaltet ein Substrat und eine Membran und zumindest einen Abstandshalter zur Halterung der Membran beabstandet von dem Substrat, zur elektrischen Kontaktierung der Membran und zur thermischen Isolierung der Membran bezüglich des Substrats. Dabei ist der zumindest ein Abstandshalter in einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt in einer Richtung zwischen Substrat und Membran gegliedert, deren Länge jeweils weniger als einen Abstand zwischen Substrat und Membran überbrückt, wobei der erste und zweite Abschnitt lateral zueinander versetzt und über ein lateral verlaufendes Element verbunden sind, so dass der erste und der zweite Abschnitt über das lateral verlaufende Element elektrisch in Reihe geschaltet sind, und wobei das lateral verlaufende Element weniger oder gleich zu einem thermischen Widerstand des zumindest einen Abstandshalters beiträgt bei als eine Summe der thermischen Widerstände des ersten und zweiten Abschnitts. Alternativ kann der zumindest eine Abstandshalter eine elektrische und thermisch leitfähige Schicht aufweisen, die sich in einer Schnittfläche senkrecht zum Substrat schleifenförmig durch den zumindest einen Abstandshalter erstreckt, so dass ein elektrischer Pfad durch den zumindest einen Abstandshalter über den die Membran kontaktiert ist, länger als ein Abstand zwischen Substrat und Membran ist. Auch kann alternativ der Strahlungsdetektor ein Substrat mit einer Vertiefung und eine Membran beinhalten, wobei sich die Vertiefung in dem Substrat in einer Richtung weg von der Membran erstreckt, wobei zumindest ein Abstandshalter zur Halterung der Membran beabstandet von dem Substrat, zur elektrischen Kontaktierung der Membran und zur thermischen Isolierung der Membran bezüglich des Substrats ausgebildet ist wobei sich der zumindest eine Abstandshalter in die Vertiefung erstreckt. Alternativ oder zusätzlich weist der Abstandshalter eine Seitenwandrauigkeit auf, welche durch Scallops erreicht wird, um Phononentransport durch Oberflächenstreueffekte sowie durch die resultierende Wegverlängerung zu reduzieren. Zusätzlich werden Verfahren zur Herstellung solcher Strahlungsdetektoren vorgestellt.A radiation detector includes a substrate and a membrane and at least one spacer for holding the membrane spaced from the substrate, electrically contacting the membrane, and thermally insulating the membrane with respect to the substrate. In this case, the at least one spacer is subdivided into a first section and a second section in a direction between the substrate and the membrane, the length of which bridges less than a distance between substrate and membrane, the first and second sections being laterally offset from one another and laterally extending Element, such that the first and second portions are electrically connected in series across the laterally extending element, and wherein the laterally extending element contributes less than or equal to a thermal resistance of the at least one spacer as a sum of the thermal resistances of the first and second section. Alternatively, the at least one spacer may comprise an electrically and thermally conductive layer which extends in a section perpendicular to the substrate in a loop through the at least one spacer so that an electrical path through the at least one spacer over which the membrane is contacted, longer than one Distance between substrate and membrane is. Also alternatively, the radiation detector may include a substrate having a well and a membrane, wherein the well extends in the substrate in a direction away from the membrane, wherein at least one spacer for holding the membrane is spaced from the substrate, for electrically contacting the membrane and for thermal insulation of the membrane with respect to the substrate is formed, wherein the at least one spacer extends into the recess. Alternatively, or additionally, the spacer has sidewall roughness achieved by scallops to reduce phonon transport by surface scattering effects as well as by the resulting path lengthening. In addition, methods for producing such radiation detectors are presented.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungsdetektor und dessen Herstellung, wie z. B. einen Bolometer und dessen Herstellung.The present invention relates to a radiation detector and its manufacture, such. B. a bolometer and its manufacture.
Ungekühlte Widerstandsmikrobolometer-Arrays, im Weiteren auch als Mikrobolometer bezeichnet, können zur Detektion von ferninfraroter Strahlung (8 μm–14 μm) verwendet werden. Diese Mikrobolometer sind eine mögliche Realisierungsform von sogenannten infrared focal plane arrays (IRFPA).Uncooled resistance microbolometer arrays, also referred to below as microbolometers, can be used to detect far-infrared radiation (8 μm-14 μm). These microbolometers are one possible realization of so-called infrared focal plane arrays (IRFPA).
Bekannte Mikrobolometer beinhalten eine Membran, welche von zwei Metallkontakten mittels dünner Stege über dem Substrat im Vakuum aufgehängt und somit thermisch isoliert ist. Grundlegend besteht die Membran aus einer Absorber- sowie einer Sensorschicht. Um eine möglichst geringe Reflexion der einfallenden infraroten Strahlung zu gewährleisten, ist der Schichtwiderstand der Absorberschicht an den Wellenwiderstand von Luft angepasst (ca. 377 Ohm/sq). Weiterhin befindet sich unterhalb der Membran eine Metallschicht, welche als Reflektor bezeichnet wird, auf dem Substrat. Licht, insbesondere Infrarotlicht oder Ferninfrarotlicht, welches auf das Bolometer, genauer gesagt den Absorber, einfällt, wird zum Teil durch den Absorber und die Sensorschicht transmittiert. Mittels der Metallschicht bzw. des Reflektors wird das zum Teil transmittierte Licht bzw. die transmittierte Strahlung zurückreflektiert und kann anschließend von der oberen Absorberschicht absorbiert werden. Die Kavität zwischen der Absorberschicht und dem (unteren) Reflektor bildet einen optischen (Fabry-Perot-)Resonator. Der Abstand zwischen Absorberschicht und (Fabry-Perot-)Resonator wird vorteilhafter Weise so gewählt, dass der optische Weg (nd) ein ungerades Vielfaches von einem Viertel der zu detektierenden Hauptwellenlänge λ ist, um die Resonatorbedingung zu erfüllen (Gl. 1). Der optische Weg setzt sich zusammen aus der Summe der Schichtdicken gewichtet mit den Brechungsindizes der Medien innerhalb der Kavität (Gl. 2).
Bei einem Körper mit einer Temperatur von z. B. 300 K wäre das Maximum der spektralen Strahldichte bei etwa λ = 10 μm. Hieraus resultiert ein optischer Weg von nd = 2,5 μm (k = 0).
Aufgrund der Absorption der einfallenden insbesondre infraroten oder ferninfraroten Strahlung erwärmt sich die thermisch isolierte Membran
Ein entscheidender Performanceindikator für Mikrobolometer ist die sogenannte Noise Equivalent Temperature Difference (NETD). Dieser Faktor ist definiert als die Temperaturänderung eines Objektes, die eine Änderung des Messsignales generiert, welches dem Rauschen des Systems entspricht und somit ein Maß für die Empfindlichkeit des Sensors (Gl. 3) ist.A key performance indicator for microbolometers is the Noise Equivalent Temperature Difference (NETD). This factor is defined as the temperature change of an object which generates a change of the measurement signal which corresponds to the noise of the system and thus is a measure of the sensitivity of the sensor (equation 3).
F ist die Blendenzahl, A die Absorberfläche, ε der Emissionskoeffizient, L die Strahldichte und T die Temperatur des Objektes,
Aus Gl. 3 wird ersichtlich, dass die NETD u. a. maßgeblich von der thermischen Isolierung der Membran bzw. dem entsprechenden thermischen Leitwert gth beeinflusst wird. Im Allgemeinen ist die Membran thermisch schlecht vom Substrat isoliert, da die Aufhängung durch Metallkontakte geschieht. Der resultierende thermische Leitwert ist in diesem Fall nicht ausreichend klein, um eine gute oder zufriedenstellende Performance zu erzielen (NETD < 100 mK), da die Kontakte über Röhrchen mit dicken Metallbeschichtungen geschehen. Diese Metallbeschichtungen müssen aus Prozess- und Stabilitätsgründen so dick sein bzw. eine minimale Dicke aufweisen und leiten somit die in der Membran entstehende Wärme relativ gut. From Eq. 3, it can be seen that the NETD, inter alia, is significantly influenced by the thermal insulation of the membrane or the corresponding thermal conductance g th . In general, the membrane is thermally poorly insulated from the substrate, since the suspension is done by metal contacts. The resulting thermal conductance in this case is not sufficiently small to achieve a good or satisfactory performance (NETD <100 mK), since the contacts are made via tubes with thick metal coatings. For reasons of process and stability, these metal coatings must be thick or have a minimum thickness and thus conduct the heat generated in the membrane relatively well.
In herkömmlichen, in
Beispielsweise lehrt Weiler (
Derthermische Leitwert der Stege gStege lässt sich bestimmen durch Gl. 4 wobei λi die thermische Leitfähigkeit der einzelnen Stegmaterialien, bSteg und dSteg die Breite und Dicke der einzelnen Stegmaterialien und ISteg die Länge der Stege ist. Der Faktor 2 ergibt sich, weil zwei Stege
Die Entwicklung der Mikrobolometer bewegt sich hin zu immer kleineren Pixelgrößen für hochauflösende IRFPAs. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Performance. Aktuell sind Mikrobolometer-Arrays mit 17 μm Pixelpitch üblich. Diese soll jedoch erfindungsgemäß auf ein Pixelpitch von ca. 12 μm reduzierbar sein. Eine Skalierung des Pixelpitch von 17 μm auf 12 μm bedeutet eine Halbierung der Absorberfläche.The development of microbolometers is moving towards smaller and smaller pixel sizes for high-resolution IRFPAs. At the same time, the demands on performance increase. Currently, microbolometer arrays with a 17 μm pixel pitch are common. However, according to the invention, this should be reducible to a pixel pitch of approximately 12 μm. Scaling the pixel pitch from 17 μm to 12 μm halves the absorber area.
Generell hat eine Verkleinerung des Pixelpitch aufgrund der Reduzierung der Absorberfläche einen massiven Einfluss auf die Performance der Mikrobolometer.In general, a reduction in the pixel pitch due to the reduction of the absorber surface has a massive influence on the performance of the microbolometer.
Die effektive Absorberfläche ist aufgrund der benötigten Fläche zur Realisierung der Stege, eingeschränkt. Abhängig vom Design und Aufbau der Stege bzw. Zielwert des thermischen Leitwerts kann die beanspruchte Fläche der Stege unterschiedlich groß sein. Die Absorberfläche hat jedoch gleichermaßen einen Einfluss auf die Performance wie der thermische Leitwert. Wird nun die Pixelfläche um einen gewissen Faktor verkleinert, könnte theoretisch das gesamte Mikrobolometer dementsprechend skaliert werden, so dass die Verhältnisse der einzelnen Flächen (Stege, Kontakte, Absorberfläche) und Abstände zueinander immer gleich ist. Der Performanceverlust wäre dann u. a. durch den Skalierungsfaktor bestimmt. Diese Skalierung mit einem festen Faktor für alle Komponenten ist jedoch praktisch nicht möglich, da bei einer solchen Skalierung die Grenzen der Lithographie erreicht werden. Typischerweise wird für die Herstellung von Mikrobolometer-Arrays eine Stepper-Lithographie mit einer Auflösung von 0,35 μm verwendet. Oftmals werden bereits in aktuellen aber auch in älteren Mikrobolometergenerationen (17 μm, 25 μm, 35 μm) Strukturgrößen am Limit dieser Auflösung verwendet, wie z. B. bei den Stegbreiten und -Abständen. Des Weiteren können auch aus Prozess- und Stabilitätsgründen die Kontaktlöcher und oberen Kontaktflächen nicht beliebig klein skaliert werden, so dass auch hier ein Limit existiert. Zusammenfassend nehmen je kleiner die Bolometer sind, die Stegflächen relativ zur Pixelgröße immer mehr Platz e i n bei einem festen thermischen Leitwert. Hierdurch wird die effektive Absorberfläche zusätzlich verkleinert und die Performance folglich stark gemindert.The effective absorber surface is limited due to the required area for the realization of the webs. Depending on the design and structure of the webs or target value of the thermal conductance, the claimed area of the webs can be different in size. The absorber surface, however, has the same effect on the performance as the thermal conductance. If the pixel area is now reduced by a certain factor, theoretically the entire microbolometer could be scaled accordingly, so that the ratios of the individual areas (lands, contacts, absorber area) and distances to each other are always the same. The loss of performance would then u. a. determined by the scaling factor. However, this scaling with a fixed factor for all components is practically impossible, since such scaling limits the limits of lithography. Typically, a stepper lithography with a resolution of 0.35 μm is used for the production of microbolometer arrays. Often already in current but also in older Mikrobolometergenerationen (17 microns, 25 microns, 35 microns) feature sizes at the limit of this resolution is used, such. B. at the web widths and distances. Furthermore, the contact holes and upper contact surfaces can not be scaled arbitrarily small for process and stability reasons, so that a limit also exists here. In summary, the smaller the bolometers are, the land areas take up more and more space at a fixed thermal conductance relative to the pixel size. As a result, the effective absorber surface is additionally reduced and the performance is consequently greatly reduced.
In Li (
Auch in Niklaus (
In der
Der Ansatz der
Der Term ri,2 – ri,2 = d ist äquivalent zur Dicke der einzelnen Materialien/Schichten innerhalb der Kontakte.The term r i, 2 -r i, 2 = d is equivalent to the thickness of the individual materials / layers within the contacts.
Ähnlich zu den Stegen sind die Abstandshalter lang und aus dünnen Materialien, welche eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Zudem sollte der Grundradius r2,2 der Kontakte
Wie beschrieben besteht die Membran, welche von den Abstandshaltern getragen wird, aus einem Element, welches seine elektrischen Eigenschaften bei Zuführung von Wärme verändert und einer Absorberschicht. Das temperaturempfindliche Element besteht entweder aus einem elektrischen Widerstand, einer Kapazität, einer Induktivität oder einem pn-Übergang (Diode).As described, the membrane supported by the spacers consists of a member which changes its electrical properties upon application of heat and an absorber layer. The temperature-sensitive element consists of either an electrical resistance, a capacitance, an inductance or a pn-junction (diode).
Neben der thermischen Isolierung besteht die zweite Funktion der Abstandshalter darin, dieses Element elektrisch zu kontaktieren. Im Allgemeinem bestehen die Nanotubes aus einer elektrisch leitenden Schicht. Zum Schutz dieser leitenden Schicht beim Ätzprozess der Opferschicht können optional weitere Schutzschichten ebenfalls mit der Atomlagenbeschichtung abgeschieden werden. Diese Schutzschichten müssen elektrisch sowie thermisch isolierend und stabil gegenüber dem Ätzmedium der Opferschicht sein. Die Dicken aller Schichten der Nanotubes liegen in einem Bereich von 0,1 nm–1 μm.In addition to thermal insulation, the second function of the spacers is to electrically contact this element. In general, the nanotubes consist of an electrically conductive layer. In order to protect this conductive layer in the etching process of the sacrificial layer optionally further protective layers can also be deposited with the atomic layer coating. These protective layers must be electrically and thermally insulating and stable with respect to the etching medium of the sacrificial layer. The thicknesses of all layers of the nanotubes are in a range of 0.1 nm-1 μm.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Strahlungsdetektor zu schaffen sowie ein Herstellungsverfahren, so dass die Herstellbarkeit bei gleicher elektrischer Leitfähigkeit und hoher thermischer Isolierung gegenüber dem Substrat oder ein besseres Verhältnis zwischen elektrischer und thermischer Leitfähigkeit der Membranaufhängung bei vergleichbarem Herstellaufwand erzielbar ist, oder dass der eingenommene Raum des Strahlungsdetektors bei gleicher elektrischer Leitfähigkeit und hoher thermischer Isolierung gegenüber dem Substrat oder umgekehrt ein besseres Verhältnis zwischen elektrischer und thermischer Leitfähigkeit der Membranaufhängung bei gleichem eingenommenen Raum des Strahlungsdetektors erzielbar ist. Alternativ oder zusätzlich soll der thermische Widerstand der Membranaufhängung vergrößert werden bzw. der thermische Leitwert verringert werden durch Anpassungen in der Mikrostruktur der Membranaufhängung.The object of the invention is to provide a radiation detector and a manufacturing method, so that the manufacturability with the same electrical conductivity and high thermal isolation from the substrate or a better ratio between electrical and thermal conductivity of the membrane suspension can be achieved with a comparable manufacturing effort, or that of occupied space of the radiation detector with the same electrical conductivity and high thermal isolation from the substrate or vice versa, a better ratio between electrical and thermal conductivity of the membrane suspension at the same occupied space of the radiation detector can be achieved. Alternatively or additionally, the thermal resistance of the membrane suspension is to be increased or the thermal conductance be reduced by adjustments in the microstructure of the membrane suspension.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Strahlungsdetektor gemäß einem der unabhängigen Ansprüche bzw. gemäß einem Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsdetektors gemäß einem der unabhängigen Ansprüche. The object is achieved by a radiation detector according to one of the independent claims or according to a method for producing a radiation detector according to one of the independent claims.
Vorteilhafte Weiterbildungen befinden sich in den Unteransprüchen.Advantageous developments are in the dependent claims.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Herstellbarkeit der Abstandshalter verbessert, indem der Abstandshalter in zwei Abschnitte untergliedert wird. Dadurch kann der Abstandshalter in seiner maximalen Länge zwischen Membran und Substrat verlängert werden. Üblicherweise ist die maximale Länge von Nanotubes – als mögliche Ausführungsform von Abstandshaltern – aus prozesstechnischen Gründen begrenzt, da z. B. nur zuverlässig in eine begrenzte Tiefe, d. h. eine begrenzte Länge, in Öffnungen abgeschieden werden kann, um beispielsweise Abstandshalterwände zu definieren. Dadurch, dass ein Abstandshalter in zwei Abschnitte untergliedert wird, kann sowohl der erste als auch der zweite Abschnitt in der jeweiligen prozesstechnischen maximal realisierbaren Länge erzeugt werden. Diese sind noch zusätzlich über ein lateral verlaufendes Element verbunden. Letzteres könnte exemplarisch dazu verwendet werden, den thermischen Widerstand sogar noch weiter zu vergrößern.According to one aspect of the present invention, the manufacturability of the spacers is improved by dividing the spacer into two sections. As a result, the spacer can be extended in its maximum length between the membrane and the substrate. Usually, the maximum length of nanotubes - as a possible embodiment of spacers - for process reasons limited because z. B. only reliably to a limited depth, d. H. a limited length, can be deposited in openings to define, for example, spacer walls. Characterized in that a spacer is divided into two sections, both the first and the second section can be generated in the respective process engineering maximum realizable length. These are additionally connected via a laterally extending element. The latter could be used as an example to even further increase the thermal resistance.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels ist ein Querschnitt eines elektrisch leitfähigen Materials des ersten und zweiten Abschnitts kleiner oder gleich als 7 μm2 oder kleiner oder gleich als 3 μm2 oder kleiner oder gleich als 0,8 μm2.In an advantageous development of this exemplary embodiment, a cross-section of an electrically conductive material of the first and second sections is less than or equal to 7 μm 2 or less than or equal to 3 μm 2 or less than or equal to 0.8 μm 2 .
Vorteilhafterweise wird der Abstand zwischen dem lateral verlaufenden Element und der Membran nach der Resonatorbedingung gemäß Gl. 1 gewählt, wodurch das Element als Rückseitenspiegel dienen kann, indem es auch lateral zwischen Membran und Substrat angeordnet wird. Dieser Abstand kann beispielsweise zwischen 1 μm und 2,5 μm betragen, während der Abstand des Elements
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das lateral verlaufende Element als Reflektor für einfallende elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht bzw. Infrarotlicht, ausgebildet. Dabei muss der reflektierende Teil des lateral verlaufenden Elements unter der Membran ausgebildet sein, so dass durch die Membran einfallendes Licht auf die Membran zurückreflektiert wird. Somit kann das Licht nochmals von der Membran, insbesondere der Absorptionsschicht der Membran, aufgenommen werden.In an advantageous development, the laterally extending element is designed as a reflector for incident electromagnetic radiation, in particular light or infrared light. In this case, the reflective part of the laterally extending element must be formed below the membrane, so that light incident through the membrane is reflected back to the membrane. Thus, the light can be picked up again by the membrane, in particular the absorption layer of the membrane.
Ein Strahlungsdetektor, wie er in diesem ersten Aspekt der Erfindung und auch den Weiterbildungen beschrieben wurde, kann hergestellt werden, indem der erste und der zweite Abschnitt jeweils mittels ALD in Öffnungen einer ersten und/oder zweiten Opferschicht erzeugt werden. Mittels ALD sind dünne Metallschichten möglich. Durch die Opferschichten kann eine bestimmte Form erreicht bzw. vorgegeben werden. Die Öffnungen können durch Ätzen jeweils eines Loches in die erste bzw. zweite Opferschicht hergestellt werden. Vorteilhafterweise geschieht das Ätzen mittels eines DRIE-Prozesses, wobei als DRIE-Prozess insbesondere ein Bosch- und/oder Gyro-Prozess genutzt werden kann.A radiation detector, as described in this first aspect of the invention and also the developments can be produced by the first and the second portion are respectively produced by means of ALD in openings of a first and / or second sacrificial layer. ALD allows thin metal layers. Through the sacrificial layers, a certain shape can be achieved or specified. The openings can be made by etching a hole in each of the first and second sacrificial layers. Advantageously, the etching is done by means of a DRIE process, wherein as a DRIE process in particular a Bosch and / or gyro process can be used.
Vorteilhafterweise kann ein Prozess, um einen oben beschriebenen Strahlungsdetektor herzustellen, in folgenden Verfahrensschritten vonstattengehen.
- 1. Strukturierung einer ersten Opferschicht, sodass selbige ein Loch aufweist;
- 2. Aufbringen einer ersten Lage an leitfähigem Material in dem Loch und auf der ersten Opferschicht zur Erzeugung einer ersten leitfähigen Schicht;
- 3. Strukturierung der ersten Lage an leitfähigem Material, sodass selbiges in dem Loch einen ersten Abschnitt eines Abstandshalters und auf der ersten Opferschicht ein lateral verlaufendes Element bildet;
- 4. Erzeugen einer zweiten Opferschicht auf der ersten Opferschicht;
- 5. Strukturieren der zweite Opferschicht, sodass selbige ein Loch aufweist;
- 6. Aufbringen und Strukturieren einer zweiten Lage an leitfähigem Material, sodass selbiges in dem Loch in der zweiten Opferschicht einen zweiten Abschnitt eines Abstandshalters bildet, der über das lateral verlaufende Element mit dem ersten Abschnitt elektrisch in Reihe geschaltet ist;
- 7. Entfernen der ersten und zweiten Opferschicht.
- 1. structuring a first sacrificial layer so that it has a hole;
- 2. depositing a first layer of conductive material in the hole and on the first sacrificial layer to form a first conductive layer;
- 3. structuring the first layer of conductive material such that it forms a first portion of a spacer in the hole and a laterally extending element on the first sacrificial layer;
- 4. creating a second sacrificial layer on the first sacrificial layer;
- 5. patterning the second sacrificial layer so that it has a hole;
- 6. applying and patterning a second layer of conductive material such that it forms in the hole in the second sacrificial layer a second portion of a spacer electrically connected in series with the first portion via the laterally extending element;
- 7. Remove the first and second sacrificial layers.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Strahlungsdetektor hinsichtlich der thermischen Isolierung der Membran gegenüber dem Substrat verbessert, indem ein Abstandshalter eine elektrisch und thermisch leitfähige Schicht aufweist, die sich in einer Schnittfläche senkrecht zum Substrat schleifenförmig durch den Abstandshalter erstreckt. Somit ist ein elektrischer Pfad durch den zumindest einen Abstandshalter, über den die Membran vorteilhafterweise mit dem Substrat elektrisch kontaktiert ist, länger als ein Abstand zwischen Substrat und Membran, der beispielsweise wegen Herstellungsbeschränkungen, wie sie oben erwähnt wurden, oder aus anderen Gründen, wie z. B. dem Wunsch nach einem Viertelwellenlängenabstand zwischen Membran und einem Reflektor, eingeschränkt ist. Durch die schleifenförmige Ausgestaltung des Abstandshalters bzw. der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht des Abstandshalters kann der elektrische Pfad und damit auch der thermische Pfad zwischen Membran und Substrat über den reinen Membran/Substrat-Abstand hinaus verlängert werden. Somit steigt der thermische Widerstand bei gleichem Bauraum, der durch den Abstand einerseits und die laterale Ausdehnung der Membran und Ihrer Aufhängung andererseits festgelegt ist. Wie in den Erläuterungen zur Gleichung 3 erklärt, ist die thermische Isolierung (entspricht einem thermischen Widerstand) der Membran eine maßgebliche Größe für die sogenannte Noise Equivalent Temperature Difference (NETD). Diese definiert die Temperaturänderung eines Objekts, die eine Änderung des Messsignals generiert, welches dem Rauschen des Systems entspricht. Somit ist diese ein Maß für die Empfindlichkeit des Sensors. Durch die Verlängerung des elektrischen und damit thermischen Pfades kann also eine erhöhte Empfindlichkeit des Sensors erreicht werden.According to a second aspect, a radiation detector is improved with respect to the thermal insulation of the membrane from the substrate in that a spacer has an electrically and thermally conductive layer which extends in a cutting surface perpendicular to the substrate in a loop through the spacer. Thus, an electrical path through the at least one spacer, over which the membrane is advantageously electrically contacted to the substrate, is longer than a distance between the substrate and the membrane, which, for example, due to manufacturing limitations, as mentioned above, or for other reasons, such , B. the desire for a quarter wavelength distance between the membrane and a reflector is limited. Due to the loop-shaped configuration of the spacer or of the electrically and thermally conductive layer of the spacer, the electrical path and thus also the thermal path between membrane and substrate can be extended beyond the pure membrane / substrate distance. Thus, the thermal resistance increases with the same space, which is determined by the distance on the one hand and the lateral extent of the membrane and its suspension on the other. As explained in the Explanatory Notes to
Ein solcher zumindest ein Abstandshalter zur Halterung der Membran mit einer durch denselben führenden elektrisch und thermisch leitfähigen, schleifenförmigen Schicht kann mittels ALD und einem Opferschichtverfahren hergestellt werden, wobei eine erste und zumindest eine zweite Opferschicht abgeschieden werden kann, mit welchen die Form der schleifenförmigen elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht erzeugt werden kann. Es kann also durch Opferschichten eine Form vorgegeben werden, in welche dann mittels ALD eine elektrisch und thermisch leitfähige, vorteilhafterweise schleifenförmige Schicht abscheidbar ist. In einem weiteren Prozessschritt kann dann die jeweilige Opferschicht bzw. es können sämtliche Opferschichten durch Ätzen entfernt werden und es verbleiben vorteilhafterweise die elektrisch und thermisch leitfähige Schicht, die Membran und das Substrat.Such at least one spacer for holding the membrane with an electrically and thermally conductive, loop-shaped layer passing through it can be produced by ALD and a sacrificial layer method, wherein a first and at least one second sacrificial layer can be deposited, with which the shape of the loop-shaped electrically and thermally conductive layer can be produced. It is therefore possible to specify a shape through sacrificial layers into which an electrically and thermally conductive, advantageously loop-shaped layer can then be deposited by means of ALD. In a further process step, the respective sacrificial layer or all sacrificial layers can then be removed by etching and advantageously the electrically and thermally conductive layer, the membrane and the substrate remain.
Der zumindest eine Abstandshalter kann in einer vorteilhaften Weiterbildung der zweiten Ausführungsform aus einer Reihe von lateral beabstandeten Säulen gebildet sein. Diese sind vorteilhafterweise paarweise an ihren oberen oder unteren Enden verbunden. Oberes bzw. unteres Ende bedeutet in diesem Zusammenhang, das vom Substrat entfernte Ende bzw. dem Substrat zugewandte Ende. Zumindest zwei Säulen können über ein lateral verlaufendes Element an ihrem unteren Ende miteinander verbunden sein. Eine Struktur mit jeweils zwei Säulen, welche über jeweils ein lateral verlaufendes Element an ihren unteren Enden Ende miteinander verbunden sind, kann wiederholt werden, wobei die einzelnen Paare an Säulen, welche an ihrem unteren Ende durch ein lateral verlaufendes Element miteinander verbunden sind, jeweils an ihrem oberen Ende miteinander verbunden werden können. Somit kann sich ein elektrischer Pfad durch eine Reihe an Paaren aus zwei Säulen bilden, welche elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind. Auf diese Weise kann der elektrische Pfad verlängert und damit auch der thermische Widerstand fast beliebig erhöht werden.The at least one spacer may be formed in a preferred embodiment of the second embodiment of a series of laterally spaced columns. These are advantageously connected in pairs at their upper or lower ends. Upper or lower end means in this context, the end remote from the substrate or the substrate facing the end. At least two columns can be connected to each other via a laterally extending element at its lower end. A structure with two columns each, which are connected to each other via a respective laterally extending element at its lower end end, can be repeated, wherein the individual pairs of columns, which are connected to each other at its lower end by a laterally extending element, respectively their upper end can be connected to each other. Thus, an electrical path may form through a series of pairs of two pillars which are electrically connected in series. In this way, the electrical path can be extended and thus the thermal resistance can be increased almost arbitrarily.
Der zumindest eine Abstandshalter könnte aber auch als eine Säule ausgebildet sein, in deren Wand die elektrisch und thermischleitfähige Schicht gefaltet angeordnet ist. In dieser Weiterbildung kann durch die gefaltete Anordnung der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht an der Wand der Säule sehr platzsparend ein langer elektrischer Pfad erreicht werden. Platzsparend bedeutet in diesem Zusammenhang, dass für den elektrisch und thermisch leitfähigen Pfad, der den Abstandshalter bildet, in einer Draufsicht (also in Richtung der Normale des Substrats) auf den Strahlungsdetektor wenig Fläche benötigt wird, um den Abstandshalter zu bilden. Durch die gefaltete Struktur der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht können die einzelnen Lagen der Schichten sehr nahe beieinander sein. Die einzelnen Lagen können vorzugsweise so angeordnet werden, dass die Säule, welche den Abstandshalter bildet, sich aus mehreren ineinander befindlichen, koaxialen, zylinderförmigen Lagen zusammensetzt. Da die einzelnen Lagen an ihren Enden des Zylinders miteinander elektrisch verbunden sein können, kann ein sehr langer elektrischer Pfad erreicht werden. Dabei wird die koaxiale Achse der Säule als Achse des Strahlungsdetektors bezeichnet.The at least one spacer could also be formed as a column, in the wall of which the electrically and thermally conductive layer is arranged folded. In this development, a long electrical path can be achieved by the folded arrangement of the electrically and thermally conductive layer on the wall of the column very space-saving. Space saving in this context means that for the electrically and thermally conductive path forming the spacer, in a plan view (ie in the direction of the normal of the substrate) on the radiation detector little surface is needed to form the spacer. Due to the folded structure of the electrically and thermally conductive layer, the individual layers of the layers can be very close to each other. The individual layers may preferably be arranged so that the column which forms the spacer is composed of a plurality of coaxial, cylindrical layers located one inside the other. Since the individual layers can be electrically connected to each other at their ends of the cylinder, a very long electrical path can be achieved. The coaxial axis of the column is referred to as the axis of the radiation detector.
Es sind zumindest zwei verschiedene Strukturen mit einer gefalteten elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht am Rand der Säule denkbar. In der ersten Struktur kann die gefaltete, elektrisch und thermisch leitfähige Schicht in der Wand der Säule so angeordnet sein, dass sich in der Schnittfläche auf einer Seite der Achse der Säule der elektrische Pfad ausbilden kann. Als Schnittfläche wird dabei die bereits beschriebene Schnittfläche, welche senkrecht zum Substrat ausgebildet ist, bezeichnet. Die Schnittfläche kann also zumindest an einer Seite durch die Normale des Substrats aufgespannt werden und die andere Seite der Schnittfläche kann sich parallel zu der Oberfläche des Substrats befinden. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass der komplette Umfang der Säule bzw. der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht, welche die Säule bildet, für den elektrischen Pfad benutzt werden kann. Somit kann ein elektrischer Strom, welcher von der Membran zum Substrat fließt, über den kompletten Umfang der Säule von der Kontaktierung, welche der Membran zugewandt ist, bis zu der Kontaktierung, welchem dem Substrat zugewandt ist, gelangen. Die Säule kann also symmetrisch aufgebaut sein. Da in dieser Struktur der komplette Umfang der Wand der Säule für den elektrisch leitfähigen Pfad benutzt werden kann, kommt es bei einer abschnittsweisen Beschädigung der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht, welche sich über ein Umfangssegment in einem bestimmten Bereich der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht erstreckt, nicht zu einem Ausfall der elektrischen Leitfähigkeit von einem zum anderen Ende der Säule. Der elektrisch leitfähige Pfad kann sich immer noch über den verbleibenden Umfang der Wand der Säule ausbilden, so dass die Beschädigung ohne Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit bleibt. At least two different structures with a folded electrically and thermally conductive layer on the edge of the column are conceivable. In the first structure, the folded, electrically and thermally conductive layer may be disposed in the wall of the column so that the electric path can be formed in the sectional area on one side of the axis of the column. In this case, the cut surface already described, which is formed perpendicular to the substrate, is referred to as the cut surface. The cut surface can thus be clamped on at least one side by the normal of the substrate and the other side of the cut surface can be parallel to the surface of the substrate. This development has the advantage that the complete circumference of the column or of the electrically and thermally conductive layer which forms the column can be used for the electrical path. Thus, an electric current flowing from the membrane to the substrate may pass over the entire circumference of the pillar from the contact facing the membrane to the contact facing the substrate. The column can therefore be constructed symmetrically. Since the entire circumference of the wall of the column can be used for the electrically conductive path in this structure, the electrically and thermally conductive layer, which extends over a circumferential segment in a specific region of the electrically and thermally conductive layer, is damaged in sections. not to a failure of the electrical conductivity from one to the other end of the column. The electrically conductive path can still form over the remaining circumference of the wall of the column, so that the damage remains without influence on the electrical conductivity.
In einer alternativen Struktur der Weiterbildung, in der die Abstandshalter als eine Säule ausgebildet sind, in deren Wand die elektrisch und thermisch leitfähige Schicht gefaltet angeordnet sein kann, kann die elektrisch und thermisch leitfähige Schicht in einem Querschnitt der Säule (der Querschnitt in Draufsicht) vorzugsweise zumindest drei Ringe bilden. Dabei gehören Zwischenräume zwischen den vorzugsweise zumindest drei Ringen zu Hohlräumen, die vorzugsweise beide an einem dem Substrat abgewandten Ende vorteilhafterweise zumindest teilweise geöffnet sind. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass die Opferschicht, welche die Zwischenräume zwischen den zumindest drei Ringen bilden kann, gut weggeätzt werden kann. Insbesondere kann im Vergleich zu der ersten Struktur relativ viel Platz oder Fläche bestehen, um Ätzmedium zwischen die Ringe in die Zwischenräume einzuführen. Somit kann die Opferschicht in den Zwischenräumen zuverlässig und schnell durch Ätzen entfernt werden, da das Ätzmedium einfach und zuverlässig in den kompletten Hohlraum in ausreichender Menge gelangen kann. Warum dies bei dieser Weiterbildung leichter möglich ist, wird im Folgenden noch erläutert bzw. ersichtlich werden.In an alternative structure of the development, in which the spacers are formed as a column, in the wall of which the electrically and thermally conductive layer may be folded, the electrically and thermally conductive layer in a cross section of the column (the cross section in plan view) may preferably form at least three rings. In this case, gaps between the preferably at least three rings belong to cavities, which are preferably both at an end facing away from the substrate advantageously at least partially open. This development has the advantage that the sacrificial layer, which can form the intermediate spaces between the at least three rings, can be well etched away. In particular, compared to the first structure, there may be a relatively large amount of space to introduce etching medium between the rings into the interstices. Thus, the sacrificial layer in the gaps can be removed reliably and quickly by etching, since the etching medium can easily and reliably reach the complete cavity in sufficient quantity. Why this is easier with this training, will be explained or apparent below.
Bei beiden Strukturen kann während der Herstellung eine Belegung der Innenwände der Säule mit einer Opferschicht vorgesehen sein. Die Innenwände der Säule können jeweils durch einzelne Lagen der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht gebildet sein. Die Opferschicht soll später vor Auslieferung bzw. vor dem Release entfernt werden bzw. entfernt werden können.In both structures, an occupancy of the inner walls of the column may be provided with a sacrificial layer during manufacture. The inner walls of the column can each be formed by individual layers of the electrically and thermally conductive layer. The sacrificial layer should be removed or removed before delivery or before release.
In der ersten Struktur kann eine einzelne Lage der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht im Lochboden vorzugsweise durch Ionenätzen entfernt werden. Somit kann, bevor die nächste Lage der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht abgeschieden wird, in der Schnittfläche die Verbindung im topfförmigen Lochboden unterbrochen werden. Dies geschieht insbesondere bei der zweiten und der weiteren, zweiten Lage der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht im Lochboden. Also kann nach Fertigstellung des Strahlungsdetektors Ätzmedium durch die Achse des Abstandshalters zwischen die äußerst und die mittlere Lage des Abstandshalters eingeführt werden, um die dort befindliche Opferschicht wegzuätzen. Die Wegstrecke durch die Achse des mehrlagigen Abstandshalters ist relativ weit. Dies macht es schwierig ist, Ätzmedium bis zum Lochboden zu transportieren und im Weiteren auch zu verteilen, um die komplette Opferschicht zwischen der äußeren und mittleren Lage der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht zu entfernen.In the first structure, a single layer of the electrically and thermally conductive layer in the hole bottom may preferably be removed by ion etching. Thus, before the next layer of the electrically and thermally conductive layer is deposited, in the sectional area the connection in the pot-shaped hole bottom can be interrupted. This happens in particular in the second and the further, second layer of the electrically and thermally conductive layer in the hole bottom. Thus, upon completion of the radiation detector, etching medium may be introduced through the axis of the spacer between the upper and middle layers of the spacer to etch away the sacrificial layer located there. The distance through the axis of the multi-layer spacer is relatively wide. This makes it difficult to transport etching medium to the hole bottom and also to distribute it further in order to remove the complete sacrificial layer between the outer and middle layer of the electrically and thermally conductive layer.
Aus diesem Grund kann in der zweiten Struktur die Symmetrie gebrochen werden. Im Vergleich zur ersten Struktur kann Ätzmedium direkt zwischen die äußere und die mittlere Lage der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht eingeführt werden, um die dort befindliche Opferschicht wegzuätzen. Durch eine Öffnung, die an dem Substrat abgewandten Ende der Säule angebracht ist, kann leicht Ätzmedium in den äußeren der beiden Zwischenräume eingeführt werden bzw. es kann auch Ätzmedium in den inneren Zwischenraum zwischen der inneren Lage der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht und der mittleren Lage der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht, welche im Herstellungsprozess auch mit einer Opferschicht bedeckt wurde, eingeführt werden. Somit kann also zuverlässig, einfach und schnell Ätzmedium in die beiden genannten Zwischenräume eingeführt werden.For this reason, in the second structure, the symmetry can be broken. Compared to the first structure, etching medium can be introduced directly between the outer and the middle layer of the electrically and thermally conductive layer in order to etch away the sacrificial layer located there. Through an opening, which is attached to the end of the column facing away from the substrate, etching medium can easily be introduced into the outer of the two intermediate spaces, or etching medium can also be introduced into the inner space between the inner layer of the electrically and thermally conductive layer and the middle layer the electrically and thermally conductive layer, which was also covered in the manufacturing process with a sacrificial layer, are introduced. Thus, therefore, reliable, easy and fast etching medium can be introduced into the two spaces mentioned.
Des Weiteren vereinfacht diese Geometrie (mit gebrochener Symmetrie) auch das abschließende vollständige Entfernen des Ätzmediums, so dass das Ätzmedium im laufenden Betrieb nicht an die Umwelt gelangen kann.Furthermore, this geometry (with broken symmetry) also simplifies the final complete removal of the etching medium, so that the etching medium can not reach the environment during operation.
Beide Weiterbildungen des zweiten Aspekts können in einem mehrstufigen Opferschichtverfahren auf eine Art und Weise erzeugt werden, die der oben bezüglich des ersten Aspekts ähnelt. Both developments of the second aspect may be generated in a multi-stage sacrificial layer method in a manner similar to that above with respect to the first aspect.
In einem weiteren Aspekt, welcher prinzipiell auch mit den bisher aufgezählten Ausführungsformen kombinierbar ist, wird bei einem Strahlungsdetektor ein Substrat mit einer Vertiefung versehen, die sich auf der der Membran zugewandten Seite des Substrats in dem Substrat in einer Richtung weg von der Membran erstreckt. Der Strahlungsdetektor umfasst einen Abstandshalter zur Halterung der Membran, der sich in die Vertiefung in dem Substrat erstreckt. Vorteilhaft an diesem Aspekt ist, dass eine zusätzliche Wegstrecke gebildet werden kann, welche sich zumindest teilweise in das Substrat erstreckt. Dabei steigt bei gleichem Abstand zwischen Substrat und Membran die Länge des Abstandshalters, die somit eine größere thermische Isolierung bilden kann. Der elektrische Pfad von der Membran zur elektrischen Kontaktierung des Substrats bleibt erhalten und der thermische Widerstand des Abstandshalters steigt. Das Substrat kann eine integrierte Ausleseschaltung aufweisen mit Schaltungselementen derselben, die an einer der Membran abgewandten Seite des Substrats gebildet sind. Dabei kann eine Metallisierungsschicht zur Kontaktierung der Schaltungselemente miteinander auf einer Höhezwischen der der Membran zugewandten Seite des Substrats und dem Boden der Vertiefung des Substrats angeordnet sein. Diese kann die elektrische Verbindung zwischen den Schaltungselementen vornehmen. Anders ausgedrückt, kann der Biden der Vertiefung tiefer liegen als eine der Verdrahtungsebenen des Substrats.In a further aspect, which in principle can also be combined with the previously enumerated embodiments, in the case of a radiation detector, a substrate is provided with a depression which extends on the membrane-facing side of the substrate in the substrate in a direction away from the membrane. The radiation detector comprises a spacer for holding the membrane, which extends into the recess in the substrate. An advantage of this aspect is that an additional path can be formed which extends at least partially into the substrate. At the same distance between substrate and membrane, the length of the spacer increases, which can thus form a greater thermal insulation. The electrical path from the membrane to electrically contact the substrate is maintained and the thermal resistance of the spacer increases. The substrate may include an integrated readout circuit having circuit elements thereof formed on a side of the substrate remote from the diaphragm. In this case, a metallization layer for contacting the circuit elements with one another may be arranged at a height between the membrane-facing side of the substrate and the bottom of the recess of the substrate. This can make the electrical connection between the circuit elements. In other words, the biden of the recess may be lower than one of the wiring planes of the substrate.
Somit kann sich der Abstand zwischen der Kontaktierung des Substrats, welche vorteilhafterweise mit der integrierten Ausleseschaltung verbunden ist, um die Wegstrecke der Vertiefung in dem Substrat verlängern. Ohne den Membran/Substrat-Abstand zu verlängern und damit das durch dieseleben eingeschlossene Volumen zu vergrößern, kann also der thermische Widerstand des Abstandshalters vergrößert und damit die Empfindlichkeit des Detektors verbessert werden.Thus, the distance between the contacting of the substrate, which is advantageously connected to the integrated readout circuit, to extend the distance of the recess in the substrate. Thus, without increasing the membrane / substrate spacing and thus increasing the volume trapped therewith, the thermal resistance of the spacer can be increased, thereby improving the sensitivity of the detector.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann auch die der Membran zugewandte Seite des Substrats zumindest an den Flächen, welche sich direkt unter der Membran befinden, metallisiert werden. Hierdurch kann einfallende elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht oder Infrarotlicht, zurück auf die Membran reflektiert werden. Somit kann bei einfallender elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht oder Infrarotlicht, die Temperaturänderung der Absorber der Membran steigen. Vorteilhafterweise befindet sich die Metallisierung, welche als Reflektor fungiert, im Wesentlichen in dem bereits erläuterten vorteilhaften Abstand (siehe Gl. 1).In an advantageous development, the side of the substrate facing the membrane can also be metallized at least on the surfaces which are located directly below the membrane. As a result, incident electromagnetic radiation, in particular light or infrared light, can be reflected back onto the membrane. Thus, with incident electromagnetic radiation, in particular light or infrared light, the temperature change of the absorber of the membrane increase. Advantageously, the metallization, which acts as a reflector, is substantially at the advantageous distance already explained (see equation 1).
In einem Aspekt bzw. einer Weiterbildung, welche mit sämtlichen bisher genannten Ausführungsformen oder Weiterbildungen kombiniert werden kann, kann zumindest ein Abstandshalter so ausgebildet sein, dass dieser eine Wandrauigkeit oder Wandwelligkeit aufweist. Diese kann eine Amplitude (w) von größer als 30 nm aufweisen. Hierdurch kann Phononentransport durch Oberflächenstreueffekte und/oder die resultierende Wegverlängerung reduziert werden. Dies kann beispielsweise durch Scallops erreicht werden. Die Amplitude der Scallops kann größer als 30 nm sein. Scallops können mikroskopische, bogenförmige Strukturen sein. Aufgrund dieser Struktur, kann der resultierende thermische Leitwert ebenfalls durch eine resultierende Wegverlängerung der Abstandshalter reduziert werden. Die resultierende Wegverlängerung durch die Amplitude der Wölbung der Scallops des zumindest einen Abstandshalters kann mehr als 5%, oder 10% oder 20% betragen. Die Scallops bzw. die Wandrauigkeit und/oder Wandwelligkeit können erzeugt werden, indem vorteilhafterweise Löcher in einer Opferschicht für die Abscheidung von Abstandshaltern so geätzt werden, dass diese eine Wandrauigkeit oder Wandwelligkeit aufweisen. Werden nun die Wände der Löcher in der oder den Opferschichten metallisiert, z. B. beim Abscheiden der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht, so bilden sich die besagten Scallops. Diese können Phononentransport durch Oberflächenstreueffekte reduzieren. Prinzipiell kann der Phononentransport aber auch durch andere Strukturen bzw. Oberflächenausgestaltungen als Scallops erreicht werden, sofern sichergestellt ist, dass die die Form oder Struktur der Oberfläche der Weg verlängert wird und/oder Phononentransport reduziert wird. Die besondere Struktur der Löcher kann erreicht werden, indem z. B. in einem Bosch-Prozess die Ätzdauer eines einzelnen Ätzvorgangs deutlich erhöht wird. Da bei einem chemischen Ätzen, wie z. B. in einem Bosch-Prozess die Ätzung in sämtliche Richtungen stattfindet, also ungerichtet ist, bildet sich dann die gewünschte bogenförmige Struktur aus. Alternativ sind beispielsweise auch Prozesse denkbar, bei denen zuerst beispielsweise durch Ionenätzen in einem einzelnen Ätzschritt in eine gewisse Tiefe in Richtung der Normalen des zu ätzenden Lochs bzw. des Substrats geätzt werden kann und anschließend eine ungerichtete, d. h. gleichmäßige Ätzung in sämtliche Richtungen vorgenommen werden kann. Auf diese Art und Weise kann durch eine Mischung aus Ionenätzen und chemischen Ätzen, welche alternierend passieren, die gewünschte bogenförmige Struktur erzeugt werden.In one aspect or a further development, which can be combined with all previously mentioned embodiments or developments, at least one spacer can be designed such that it has a wall roughness or wall waviness. This may have an amplitude (w) greater than 30 nm. As a result, phonon transport can be reduced by surface scattering effects and / or the resulting path lengthening. This can be achieved, for example, by scallops. The amplitude of the scallops can be greater than 30 nm. Scallops can be microscopic, arched structures. Due to this structure, the resulting thermal conductance can also be reduced by a resulting path extension of the spacers. The resulting path lengthening by the amplitude of the scallop bulge of the at least one spacer may be more than 5%, or 10% or 20%. The scallops or wall roughness and / or wall waviness can be generated by advantageously etching holes in a sacrificial layer for the deposition of spacers so that they have a wall roughness or wall waviness. Are now the walls of the holes metallized in the sacrificial or layers, z. B. when depositing the electrically and thermally conductive layer, so the said scallops form. These can reduce phonon transport through surface scattering effects. In principle, however, the phonon transport can also be achieved by structures or surface configurations other than scallops, provided that it is ensured that the shape or structure of the surface is lengthened and / or that phonon transport is reduced. The special structure of the holes can be achieved by z. B. in a Bosch process, the etching time of a single etching process is significantly increased. As in a chemical etching, such. B. in a Bosch process, the etching takes place in all directions, that is undirected, then forms the desired arcuate structure. Alternatively, for example, processes are also conceivable in which etching can first be carried out, for example, by ion etching in a single etching step to a certain depth in the direction of the normal of the hole or substrate to be etched, and then an omnidirectional, d. H. uniform etching in all directions can be made. In this way, by a mixture of ion etching and chemical etching, which happen alternately, the desired arcuate structure can be generated.
In einer vorteilhafter Weiterbildung, welche mit sämtlichen Ausführungsformen kombinierbar ist, kann während der Herstellung des Strahlungsdetektors auf den zumindest einen Abstandshalter bzw. die einzelnen Lagen der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht oder die elektrisch und thermisch leitfähige Schicht eine Ätzschutzschicht abgeschieden werden. Durch diese Ätzschutzschicht kann erreicht werden, dass während Ionenätzen und/oder chemischen Ätzen die Metallisierung nicht beschädigt wird, sondern lediglich die erste, zweite oder dritte Opferschicht weggeätzt wird. In an advantageous development, which can be combined with all embodiments, an etching protection layer can be deposited on the at least one spacer or the individual layers of the electrically and thermally conductive layer or the electrically and thermally conductive layer during the production of the radiation detector. By means of this etching protection layer, it can be achieved that the metallization is not damaged during ion etching and / or chemical etching, but only the first, second or third sacrificial layer is etched away.
Vorteilhafterweise beträgt die Wanddicke der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht des zumindest einen Abstandshalters zwischen 0,1 nm und 1 μm oder zwischen 1 nm und 0,5 μm oder besonders vorteilhafterweise zwischen 10 nm und 100 nm.Advantageously, the wall thickness of the electrically and thermally conductive layer of the at least one spacer is between 0.1 nm and 1 μm or between 1 nm and 0.5 μm or particularly advantageously between 10 nm and 100 nm.
Der Strahlungsdetektor kann ein Bolometer sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform können mehrere Strahlungsdetektoren zu einem Array zusammengefügt sein, so dass wie bei einer CCD-Kamera ein Bild, welches sich aus einem Array aus Pixeln zusammensetzt, aufgenommen werden kann. Erfindungsgemäß kann aber natürlich ein Infrarotlicht-Bild detektiert/aufgenommen werden.The radiation detector may be a bolometer. In an advantageous embodiment, a plurality of radiation detectors can be combined to form an array, so that, as in the case of a CCD camera, an image which is composed of an array of pixels can be recorded. Of course, according to the invention, however, an infrared light image can be detected / recorded.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die Zeichnungen näher erläutert.Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail below with reference to the drawings.
Ein Querschnitt durch ein Nanotube, welches in
Es werden hier jedoch prozesstechnisch Grenzen erreicht, welche den effektiven Querschnitt der Abstandshalter nach unten limitieren, da irgendwann keine stabilen Nanotubes mehr herstellbar sind. Der elektrische Pfad, welcher sich zwischen Membran und Substrat ausbilden kann, soll aber einen geringeren thermischen Leitwert aufweisen.However, in terms of process technology, limits are reached here which limit the effective cross-section of the spacers downwards, because at some point no stable nanotubes can be produced any more. The electrical path, which can form between the membrane and the substrate, but should have a lower thermal conductivity.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen der Abstandshalter – auch als thermisches Via bezeichnet – durch Anpassung der Geometrie oder mikroskopischen Struktur des Abstandshalters in seiner thermischen Isolierfähigkeit verbessert und/oder leichter herstellbar gemacht wird.Embodiments are described below in which the spacer - also referred to as thermal via - improved by adapting the geometry or microscopic structure of the spacer in its thermal insulation and / or made easier to produce.
In dem in
Ausgangspunkt kann in einem Substrat
- a) In einem ersten Prozessschritt kann dann eine erste Opferschicht
9 das Substrat2 (bzw. den ROIC 6 , insbesondere auf dieMetallisierung 2m des Substrats2 ) aufgebracht werden. - b) In einem zweiten Prozessschritt wird die
Opferschicht 9 strukturiert. Indem Beispiel von 4b ist gezeigt, dassein Loch 7 in die ersteOpferschicht 9 geätzt wird. Dies kann vorzugsweise durch ein DRIE-(z. B. ein Bosch- oder Gyro-)Verfahren geschehen. Alternativ ist auch Ionenätzen denkbar, um möglichst in Richtung der Normalen, d. h. in z-Richtung des Substrats 2 , ätzen zu können. Dabei kann das Ätzen in Richtung der Normalen bzw. der z-Richtung automatisch durch dieMetallisierung 2m des Substrats2 beendet werden. Danach wird eine ersteLage 15 eines elektrisch leitfähigen Materials auf die ersteOpferschicht 9 und indas Loch 7 abgeschieden. Dazu wird beispielsweise Atomlagenabscheidung bzw. ALD oder alternativ andere Verfahren, wie z. B. CVD, verwendet. Anschließend kann die ersteLage 15 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht strukturiert werden, so dass sich das lateral verlaufende Element auf der Oberfläche der ersten Opferschicht9 ausbildet bzw. verbleibt sowie das indem Loch 7 verbleibende elektrisch leitfähige Material einen ersten Abschnitt des später vollendeten Abstandshalters4 bildet. - c) Eine zweite Opferschicht
10 wird dann aufgebracht, also z. B. auf die komplette Struktur bzw. ganzflächig abgeschieden. Anschließend kann dieMembran 3 , welche sich aus der optionalen Schutzschicht3a und der Sensorschicht3b , wie z. B. Halbleitermaterial, zusammensetzt, auf die zweite Opferschicht10 abgeschieden und strukturiert werden. Entweder vor oder nach demAbscheiden der Membran 3 kannein weiteres Loch 7b indie Opferschicht 10 geätzt oder anders strukturiert werden. Der Strukturierungsvorgang kann in z-Richtung nach unten inRichtung des Substrats 2 durch daslateral verlaufende Element 5 limitiert werden bzw. das Material des letzteren als Ätzstopp verwenden. - d) Als folgender Prozessschritt wird eine zweite
Lage 25 elektrisch leitfähigen Materials aufgebracht (beispielsweise mittels ALD abgeschieden). Dies geschieht z. B. ganzflächig, um indem Loch 7b einen weiteren Abschnitt desAbstandshalters 4 zu bilden, sowie einen lateralen Abschnitt25 auf der Höhe derMembran 3 , der den besagten Abschnitt mit der Sensorschicht derMembran 3 verbindet, zu bilden. Es bildet sich demnach ein sogenanntes Nanotube indem Loch 7b in der zweiten Opferschicht10 , der den zweitenAbschnitt 4b desAbstandshalters 4 bildet. Anschließend wird das aufgebrachte bzw. abgeschiedene elektrisch leitfähige Material strukturiert. Dies kann geschehen, indem ein (schmaler) Pfad an elektrisch und thermisch leitfähigem Material zwischen derMembran 3 unddem zweiten Abschnitt 4b desAbstandshalters 4 auf der bisher erzeugten Anordnung übrig gelassen wird.
- a) In a first process step then a first
sacrificial layer 9 the substrate2 (or theROIC 6 , in particular on themetallization 2m of the substrate2 ) are applied. - b) In a second process step, the
sacrificial layer 9 structured. In the example of4b is shown ahole 7 into the firstsacrificial layer 9 is etched. This may preferably be done by a DRIE (eg, a Bosch or Gyro) method. Alternatively, ion etching is also conceivable in the direction of the normal, ie in the z-direction of thesubstrate 2 to be able to etch. In this case, the etching in the direction of the normal or the z-direction automatically by themetallization 2m of thesubstrate 2 to be ended. After that, afirst location 15 an electrically conductive material on the firstsacrificial layer 9 and in thehole 7 deposited. For this purpose, for example, atomic layer deposition or ALD or alternatively other methods, such. B. CVD used. Subsequently, thefirst layer 15 the electrically and thermally conductive layer are patterned, so that the laterally extending element on the surface of the firstsacrificial layer 9 forms or remains as well as in thehole 7 remaining electrically conductive material a first portion of the later completedspacer 4 forms. - c) A second
sacrificial layer 10 is then applied, so z. B. on the entire structure or over the entire surface deposited. Subsequently, themembrane 3 resulting from the optionalprotective layer 3a and thesensor layer 3b , such as B. semiconductor material, composed on the secondsacrificial layer 10 be deposited and structured. Either before or after the membrane has been deposited3 can anotherhole 7b into thesacrificial layer 10 etched or otherwise structured. The structuring process can be down in the z direction in the direction of thesubstrate 2 through the laterally extendingelement 5 be limited or use the material of the latter as an etch stop. - d) The following process step becomes a
second layer 25 electrically conductive material deposited (for example, deposited by ALD). This happens z. B. over the entire surface, in thehole 7b another section of thespacer 4 to form, as well as alateral section 25 at the height of themembrane 3 comprising the said portion with the sensor layer of themembrane 3 connects to form. Accordingly, a so-called nanotube forms in thehole 7b in the secondsacrificial layer 10 that thesecond section 4b of thespacer 4 forms. Subsequently, the applied or deposited electrically conductive material is structured. This can be done by placing a (narrow) path of electrically and thermally conductive material between themembrane 3 and thesecond section 4b of thespacer 4 left on the previously generated arrangement.
Der besondere Vorteil bei diesem Verfahren ist folgender. Rein praktisch ist die Ätztiefe beim Bosch-Prozess in eine Opferschicht limitiert, da ein Bosch-Prozess einen Ätzwinkel aufweist und somit der Durchmesser des Lochbodens
Es wurde demnach gemäß
In
Prozesstechnisch kann eine solche Struktur folgendermaßen hergestellt werden:
- a) Wenn noch nicht vorhanden,
Aufbringen einer Metallisierung 2m auf das Substrat 2. Anschließend Aufbringen einer ersten Opferschicht9 und Aufbringen einer erstenLage 15 einer elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 auf die ersteOpferschicht 9 . Die elektrisch und thermisch leitfähige Schicht8 kann aus Metall sein. Dabei kann das Aufbringen der ersten Opferschicht9 durch Abscheiden (z. B. durch CVD oder ähnliche Verfahren) geschehen. Das Aufbringen der erstenLage 15 kann durch Abscheiden, insbesondere durch ALD, geschehen. - b) Strukturierung der ersten
Lage 15 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 . Aus dieser erstenLage 15 kann das mindestens einelateral verlaufende Element 5 gebildet werden. Dieses wiederum kann eine untere Kehre für den vertikalen Mäander bilden. Der vertikale Mäander bzw. viele aneinandergereihte vertikale Mäander bilden dabeiden Abstandshalter 4 . - c) Aufbringen (beispielsweise durch Abscheiden) der zweiten Opferschicht
10 sowie Aufbringen (beispielsweise durch Abscheiden) und Strukturieren derMembran 3 . Diese kann eine optionale Schutz-und Sensorschicht 3a ,3b aufweisen.Die Sensorschicht 3b kann aus einem Halbleitermaterial bestehen. - d) Anbringen (beispielsweise durch Ätzen)
von Löchern 7 . Dies kann beispielsweise mittels des Bosch- oder Gyro-Prozesses geschehen. DieWände der Löcher 7 können später beschichtet werden. Dies kann beispielsweise durch Atomalgenabscheidung (ALD) geschehen. Dabeikann ein Loch 7 durch die erste und zweite Opferschicht9 ,10 geätzt werdenbis zur Metallisierung 2m des Substrats2 und jeweils zwei Löcher7 , welche jeweils einlateral verlaufendes Element 5 terminiert werden. - e) Abscheidung einer zweiten
Lage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 , vorzugsweise mittels ALD. Diese kann dazu dienen dieMembran 3 elektrischmit der Metallisierung 2m des Substrats2 zu verbinden. - f) Strukturierung der zweiten
Lage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 . Hierdurch kann sich ein mäanderförmiger Pfad über die Abstandshalterabschnitte14z und das lateral verlaufenden Element bzw. die lateral verlaufenden Elemente5 bilden. Dieser ist vorzugsweise möglichst lang. Dabei kann ein elektrischer Pfadvon der Membran 3 durch die beschriebenen Strukturen aufweisend jeweils einlateral verlaufendes Element 5 und zwei Abstandshalter14 gehen. Die zwei Abstandshalter14z werden nach unten inRichtung des Substrats 2 durch daslateral verlaufende Element 5 beendet. Dadurch sind die beschriebenen Strukturen elektrisch in Reihe schaltbar bis zu demjenigen (durchgehenden)Abstandshalter 14d , welcher sich von der Oberseite der zweiten Opferschicht10 bis zur Metallisierung 2m erstreckt. Durch diesen durchgehenden Abstandhalter14d wird also eine elektrische Verbindung zur Metallisierung2m erreicht werden. Die beschriebenen Strukturen können sichvon der Membran 3 gesehen aus mäanderförmig von der Oberseite der zweiten Opferschicht10 in Richtung der Grenze zwischen der ersten und zweiten Opferschicht9 ,10 ausbilden. Insgesamt kann so ein schleifenförmiger elektrischer Pfadbis zur Metallisierung 2m erreicht werden.
- a) If not present, apply a
metallization 2m on thesubstrate 2. Then applying a firstsacrificial layer 9 and applying afirst layer 15 an electrically and thermally conductive layer8th on the firstsacrificial layer 9 , The electrically and thermally conductive layer8th can be made of metal. In this case, the application of the firstsacrificial layer 9 by deposition (eg by CVD or similar methods). Applying thefirst layer 15 can be done by deposition, in particular by ALD. - b) Structuring the
first layer 15 the electrically and thermally conductive layer8th , From thisfirst location 15 this can be at least one laterally extendingelement 5 be formed. This in turn can form a lower turn for the vertical meander. The vertical meander or many juxtaposed vertical meanders form thespacer 4 , - c) applying (for example by deposition) the second
sacrificial layer 10 and applying (for example by deposition) and structuring themembrane 3 , This can be an optional protection andsensor layer 3a .3b exhibit. Thesensor layer 3b may consist of a semiconductor material. - d) attaching (for example by etching) holes
7 , This can be done for example by means of the Bosch or Gyro process. The walls of theholes 7 can be coated later. This can be done for example by atomic deposition (ALD). This can be ahole 7 through the first and secondsacrificial layers 9 .10 etched tometallization 2m of thesubstrate 2 and two holes each7 , which each have a laterally extendingelement 5 be terminated. - e) deposition of a
second layer 25 the electrically and thermally conductive layer8th , preferably by ALD. This can serve themembrane 3 electrically with themetallization 2m of thesubstrate 2 connect to. - f) structuring of the
second layer 25 the electrically and thermally conductive layer8th , This allows a meandering path over thespacer sections 14z and the laterally extending element (s)5 form. This is preferably as long as possible. In this case, an electrical path from themembrane 3 each having a laterally extending element by the describedstructures 5 and two spacers14 walk. The twospacers 14z be down towards thesubstrate 2 through the laterally extendingelement 5 completed. As a result, the structures described are electrically switchable in series up to that (continuous)spacer 14d which extends from the top of the secondsacrificial layer 10 untilmetallization 2m extends. Through thiscontinuous spacer 14d So is an electrical connection to themetallization 2m be achieved. The structures described may differ from themembrane 3 seen from meandering from the top of the secondsacrificial layer 10 towards the boundary between the first and secondsacrificial layers 9 .10 form. Overall, such a loop-shaped electrical path tometallization 2m be achieved.
Die in der
Prozesstechnisch kann eine solche Struktur wie in den
- a) Falls noch nicht vorhanden kann auf eine Metallisierung
2m einesSubstrats 2 eine Opferschicht 9 aufgebracht werden. Diese kann abgeschieden werden. Hierbeikann das Substrat 2 , wie auch in den anderen Ausführungsformen eine integrierte Ausleseschaltung6 (Engl.: Read Out Integrated Circuit, kurz: ROIC) enthalten. - b) Aufbringung bzw.
Abscheidung der Membran 3 . Dies kann durch Aufbringen, insbesondere Abscheiden, beispielsweise in Reihenfolge zuerst eines optionalen Schutzoxid3b und anschließend einer Sensorschicht3a aufdas optionale Schutzoxid 3b geschehen (wie bei 5 , außer dass in6 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dieMembran 3 auf die ersteOpferschicht 9 statt auf die zweite Opferschicht10 abgeschieden werden kann).Die Sensorschicht 3a kann Halbleitermaterial aufweisen. - c) Aufbringung (beispielsweise durch Abscheidung) und Strukturierung einer ersten
Lage 15 einer elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 . Somit kann/können aus der elektrischen erstenLage 15 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 das/die lateral verlaufenden Elemente5 gebildet werden, welche zumindest dieMembran 3 kontaktieren können und/oder welche die Kehren für die optional vorhandenen jeweils zwei Abstandshalterabschnitte14z bilden können, welche lediglich die zweite Opferschicht10 durchdringen sollen. Zum Abscheiden der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 kann ALD verwendet werden. - d) Aufbringung und/oder Abscheidung der zweiten Opferschicht
10 auf die bisher erzeugte Anordnung. - e) Strukturierung der zweiten Opferschicht
10 . Dies kannÄtzen von Löchern 7 beispielsweise mittels DRIE (vorzugsweise des Bosch-Prozesses) oder mittels lonenätzens umfassen. Dabeikann ein Loch 7 sowohl durch die erste als auch zweite Opferschicht9 ,10 penetrieren undein weiteres Loch 7 kann lediglich durch diezweite Opferschicht 10 zudem lateralen Element 5 penetrieren, welches dieMembran 3 elektrisch kontaktiert. - f) Aufbringung, insbesondere Abscheidung, und Strukturierung der zweiten
Lage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 . Dies kann mittels Lithographie und/oder Ionenätzens geschehen. Somit kann sich ein elektrischer Pfadvon der Membran 3 bis zu der Metallisierung2m ausbilden. Falls mehrere Schleifen über lateral verlaufende Elemente5 gebildet werden, welche jeweils durch zwei Abstandshalterabschnitte14z kontaktiert werden, kann der elektrische Pfad folgendermaßen strukturiert werden. Er kann von demlateral verlaufenden Element 5 , welches dieMembran 3 kontaktiert, über den damit direkt verbundenen Abstandshalterabschnitt14e zudem Abstandshalterabschnitt 14d gehen, welcher durch die erste und zweite Opferschicht9 ,10 zu derMetallisierung 2m des Substrats2 geht. Dazwischen kann er die einzelnen Strukturen, welche sich aus jeweils einemlateral verlaufenden Element 5 und zwei Abstandshalterabschnitten14 zusammensetzen, elektrisch in Reihe verbinden. Eine solche Struktur ist in6g dargestellt. Im Vergleich zu der in5f dargestellten Ausführungsform ist der Vorteil dieser Ausführungsform in6f und6g , dass der Reflektor, welcher sich in5f beispielsweise unter derMembran 3 , d. h. zwischen derMembran 3 und der Metallisierung2m befindet, entfallen kann.Die Metallisierung 2m unter derMembran 3 der in6a –6g dargestellten Ausführungsform kann nämlich, als Reflektor für einfallende elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht oder Infrarotlicht, fungieren. Die einzelnen Strukturen, insbesondere dieLöcher 7 , können ebenfalls in Schritt e) hergestellt werden. Ihre Herstellung kann wie die Herstellung der Strukturen erfolgen, welche in5a –5f beschrieben wurden.
- a) If not yet available on a
metallization 2m a substrate2 asacrificial layer 9 be applied. This can be deposited. Here, thesubstrate 2 as in the other embodiments, an integrated readout circuit6 (Engl .: Read Out Integrated Circuit, short: ROIC) included. - b) application or deposition of the
membrane 3 , This can be achieved by applying, in particular depositing, for example, first in order of an optionalprotective oxide 3b and then asensor layer 3a on the optionalprotective oxide 3b happen (as in5 except that in6 in the embodiment shown here, themembrane 3 on the firstsacrificial layer 9 instead of the secondsacrificial layer 10 can be separated). Thesensor layer 3a may comprise semiconductor material. - c) application (for example by deposition) and structuring of a
first layer 15 an electrically and thermally conductive layer8th , Thus, can / can from the electricalfirst layer 15 the electrically and thermally conductive layer8th thelateral elements 5 are formed, which at least themembrane 3 can contact and / or which are the sweeps for the optional two eachspacer sections 14z can form, which only the secondsacrificial layer 10 to penetrate. For depositing the electrically and thermally conductive layer8th ALD can be used. - d) application and / or deposition of the second
sacrificial layer 10 on the previously generated arrangement. - e) structuring of the second
sacrificial layer 10 , This can be etchingholes 7 for example by means of DRIE (preferably the Bosch process) or by means of ion etching. This can be ahole 7 through both the first and secondsacrificial layers 9 .10 penetrate and anotherhole 7 can only through the secondsacrificial layer 10 to thelateral element 5 penetrate, which is themembrane 3 electrically contacted. - f) application, in particular deposition, and structuring of the
second layer 25 the electrically and thermally conductive layer8th , This can be done by means of lithography and / or ion etching. Thus, an electrical path from themembrane 3 up to themetallization 2m form. If multiple loops over laterally extendingelements 5 are formed, each by twospacer sections 14z can be contacted, the electrical path can be structured as follows. He can from the laterally extendingelement 5 which is themembrane 3 contacted, over the directly connectedspacer section 14e to thespacer section 14d go through the first and secondsacrificial layers 9 .10 to themetallization 2m of thesubstrate 2 goes. In between, he can see the individual structures, which each consist of a laterally extendingelement 5 and two spacer sections14 put together, electrically connect in series. Such a structure is in6g shown. Compared to the in5f illustrated embodiment, the advantage of this embodiment is in6f and6g in that the reflector, which is located in5f for example, under themembrane 3 ie between themembrane 3 and themetallization 2m is, can be omitted. Themetallization 2m under themembrane 3 the in6a -6g In fact, the embodiment shown can act as a reflector for incident electromagnetic radiation, in particular light or infrared light. The individual structures, especially theholes 7 , can also be prepared in step e). Their preparation can be carried out as the production of structures, which in5a -5f have been described.
Bezüglich der
Für alle bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele gilt, dass das lateral verlaufende Element
In
Es können zumindest zwei verschiedene Ausführungsformen gebildet werden: Zum einen ein solcher Strahlungsdetektor
- a) Falls erforderlich, Aufbringen einer ersten
Opferschicht 9 . Dies kann insbesondere durch Abscheidung geschehen. Dabei kann aufein Substrat 2 , insbesondere auf eine Metallisierung2m einesSubstrats 2 kann die ersteOpferschicht 9 abgeschieden werden. - b) Anbringen von Löchern in die erste
Opferschicht 9 . Dies kann geschehen indem für jeden Abstandshalter4 bzw. jedeSäule ein Loch 7 geätzt wird oder anders erzeugt wird. Beispielsweise geschieht dies mittels eines DRIE-Prozesses (insbesondere des Bosch-Prozesses) oder mittels Ionenätzens. Dabeikann das Loch 7 näherungsweise senkrecht durch die ersteOpferschicht 9 ausgebildet sein. - c) Abscheidung der ersten
Lage 15 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 , beispielsweise mittels Atomlagenabscheidung (Engt.: Atomic Layer Deposition, kurz: ALD) und anschließende Strukturierung. Durch die Strukturierung kann erreicht werden dass die abgeschiedene ersteLage 15 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 im Wesentlichen nur indem Loch 7 ausgebildet ist. Anschließend kann eine zweite Opferschicht10 beispielsweise mittels ALD abgeschieden werden. Dies kann über der kompletten Struktur geschehen. Somit kann sowohl die ersteOpferschicht 9 als auch die Innenseite der erstenLage 15 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 indem Loch 7 bedeckt sein. - d) Chemisch mechanisches Polieren. Dabei kann erreicht werden, dass auf der Oberfläche, insbesondere in Richtung der Normalen des Substrats
2 (also in z-Richtung), sich oberhalb der ersten Opferschicht9 keine zweite Opferschicht10 oder Überreste der ersten Lage der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht15 befinden bzw. diese entfernt werden. - e) Abscheidung einer zweiten
Lage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 . Dies kann auf der ersten Opferschicht9 und innerhalb der zweiten Opferschicht10 indem Loch 7 geschehen, so dass sich ein Zwischenraum45zwa zwischen der erstenLage 15 und der zweitenLage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 bilden kann. - f) Strukturierung der zweiten
Lage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 . Dies kann beispielsweise mittels Lithographie und/oder reaktivem lonenätzen geschehen. Es kann also erreicht werden, dass die zweiteLage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 im Wesentlichen nur so weit außerhalb desLoches 7 ausgebildet ist, dass die ersteLage 15 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 elektrisch kontaktiert werden kann. - g) Abscheidung einer weiteren zweiten
Lage 11 der Opferschicht. Dies kann mittels ALD oder Chemical Vapor Deposition (CVD) geschehen. Anschließend kann eine Aufbringung bzw. Abscheidung und Strukturierung einer optionalen Schutzschicht3a und einer Sensorschicht3b , welche dieMembran 3 bilden können, geschehen.Die Sensorschicht 3b kann Halbleitermaterial umfassen. - h) Anschließend wird z. B. (Ionen-)Ätzen innerhalb des Abstandshalters
14 vorgenommen werden. Hierdurch wird die weitere zweiteLage 11 der Opferschicht im Lochboden entfernt. Dabei kann auch die zweite elektrisch und thermisch leitfähige Schicht25 im Lochboden entfernt werden.Die zweite Opferschicht 10 kann jedoch (bei diesem Ätzvorgang) erhalten bleiben. Diese kann später verhindern, dass eine später abgeschiedene dritteLage 35 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 die Metallisierung 2m des Substrats2 elektrisch direkt kontaktieren kann. - i) Abscheidung einer weiteren zweiten
Lage 35 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 . Diese kann dieMembran 3 , insbesondere dieSensorschicht 3b , elektrisch und thermisch kontaktieren. Diese kann innerhalb der zweiten weiteren Opferschicht11 in den Topf abgeschieden werden und kann die zweite Lage der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht25 elektrisch direkt innerhalb des geätztenLoches 7 kontaktieren. Es können nun also sowohl ein Zwischenraum45zwi zwischen der drittenLage 35 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 und der zweitenLage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 als auch ein Zwischenraum45zwa zwischen der zweitenLage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 und der erstenLage 15 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 vorhanden sein.Die einzelnen Lagen 15 ,25 ,35 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 können dabei im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sein. Die zweite und dritteLage 25 ,35 der elektrisch und thermisch leitfähige Schicht8 können nun durch einen gemeinsamen Topfboden an der derMetallisierung 2m zugewandten Seite desLoches 7 elektrisch miteinander verbunden sein. Auf der gegenüberliegenden Seite, welche nach außen gewandt ist, können die zweite und dritteLage 25 ,35 elektrisch und thermisch leitfähige Schicht8 elektrisch isoliert, also nicht direkt elektrisch miteinander verbunden, sein. Allerdings können die zweiteLage 25 der elektrisch und thermisch leitfähige Schicht8 und die ersteLage 15 der elektrisch und thermisch leitfähige Schicht8 an der nach außen gewandten Seite elektrisch direkt verbunden sein. Die ersteLage 15 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 und die zweiteLage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 können aber auf der derMetallisierung 2m zugewandten Seite elektrisch isoliert, also nicht direkt elektrisch miteinander verbunden sein. - j) Strukturierung der dritten
Lage 35 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 . Auf der beschriebenen Anordnung kann lediglich ein schmaler Pfad zwischen derMembran 3 und dem Abstandshalter14 verbleiben, welcher von elektrischem Strom durchflossen werden kann. Der Pfad sollte deswegen schmal sein, da je schmaler der Pfad ist, der thermische Widerstand gemäß Gl. 1 umso größer ist. Damit kann sich der thermische Leitwert dieses Pfades verringern. Allerdings kann die minimale Breite des Pfads nach unten limitiert sein, da dieser eine mechanische Stabilität aufweisen sollte.
- a) If necessary, applying a first
sacrificial layer 9 , This can be done in particular by deposition. This can be done on asubstrate 2 , in particular to ametallization 2m asubstrate 2 may be the firstsacrificial layer 9 be deposited. - b) mounting holes in the first
sacrificial layer 9 , This can be done by adding eachspacer 4 or each column ahole 7 is etched or otherwise generated. For example, this is done by means of a DRIE process (in particular the Bosch process) or by means of ion etching. This can be thehole 7 approximately perpendicular through the firstsacrificial layer 9 be educated. - c) deposition of the
first layer 15 the electrically and thermally conductive layer8th , for example, by atomic layer deposition (Engt .: Atomic Layer Deposition, short: ALD) and subsequent structuring. By structuring can be achieved that the depositedfirst layer 15 the electrically and thermally conductive layer8th essentially only in thehole 7 is trained. Subsequently, a secondsacrificial layer 10 For example, be deposited by ALD. This can be done over the complete structure. Thus, both the firstsacrificial layer 9 as well as the inside of thefirst layer 15 the electrically and thermally conductive layer8th in thehole 7 be covered. - d) chemical mechanical polishing. It can be achieved that on the surface, in particular in the direction of the normal of the substrate
2 (ie in the z-direction), above the firstsacrificial layer 9 no secondsacrificial layer 10 or remnants of the first layer of the electrically and thermallyconductive layer 15 located or removed. - e) deposition of a
second layer 25 the electrically and thermally conductive layer8th , This may be on the firstsacrificial layer 9 and within the secondsacrificial layer 10 in thehole 7 done, leaving a gap45zwa between thefirst location 15 and thesecond location 25 the electrically and thermally conductive layer8th can form. - f) structuring of the
second layer 25 the electrically and thermally conductive layer8th , This can be done for example by means of lithography and / or reactive ion etching. So it can be achieved that thesecond layer 25 the electrically and thermally conductive layer8th essentially only so far out of thehole 7 is formed that thefirst position 15 the electrically and thermally conductive layer8th can be contacted electrically. - g) deposition of another
second layer 11 the sacrificial layer. This can be done by ALD or Chemical Vapor Deposition (CVD). Subsequently, an application or deposition and structuring of an optionalprotective layer 3a and asensor layer 3b which themembrane 3 can happen. Thesensor layer 3b may include semiconductor material. - h) Subsequently, z. B. (ion) etching within the spacer
14 be made. As a result, the othersecond layer 11 removed the sacrificial layer in the hole bottom. In this case, the second electrically and thermallyconductive layer 25 be removed in the hole bottom. The secondsacrificial layer 10 however, can be preserved (during this etching process). This can later prevent a later depositedthird layer 35 the electrically and thermally conductive layer8th themetallization 2m of thesubstrate 2 can contact directly electrically. - i) deposition of another
second layer 35 the electrically and thermally conductive layer8th , This can be themembrane 3 , in particular thesensor layer 3b , contact electrical and thermal. This can be within the second furthersacrificial layer 11 can be deposited in the pot and can be the second layer of the electrically and thermallyconductive layer 25 electrically directly inside the etchedhole 7 to contact. So it can be both a gap45zwi between thethird position 35 the electrically and thermally conductive layer8th and thesecond location 25 the electrically and thermally conductive layer8th as well as a gap45zwa between thesecond position 25 the electrically and thermally conductive layer8th and thefirst location 15 the electrically and thermally conductive layer8th to be available. The individual layers15 .25 .35 the electrically and thermally conductive layer8th can be formed substantially cylindrical. The second andthird location 25 .35 the electrically and thermally conductive layer8th can now through a common bottom of the pot at themetallization 2m facing side of thehole 7 be electrically connected to each other. On the opposite side, which faces outward, the second and third layer can25 .35 electrically and thermally conductive layer8th electrically isolated, so not directly electrically connected to each other, be. However, thesecond location 25 the electrically and thermally conductive layer8th and thefirst location 15 the electrically and thermally conductive layer8th be electrically connected directly on the side facing outward. Thefirst location 15 the electrically and thermally conductive layer8th and thesecond location 25 the electrically and thermally conductive layer8th but can on themetallization 2m side facing electrically isolated, so not directly electrically connected to each other. - j) structuring the
third situation 35 the electrically and thermally conductive layer8th , In the described arrangement, only a narrow path between themembrane 3 and the spacer14 remain, which can be traversed by electric current. The path should therefore be narrow, since the narrower the path, the thermal resistance according to Eq. 1 is larger. This can reduce the thermal conductance of this path. However, the minimum width of the path can be limited downwards, as this should have a mechanical stability.
Abschließend, wobei dieser Schritt auch vor Schritt j) oder während des Schritts j) erfolgen kann, erfolgt ein Ionenätzen im Lochboden. Hierdurch kann die dritte Lage
Bei der in
In
Die in der in
- a) Strukturierung der zweiten
Lage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 . Beispielsweise kann dies mittels Lithographie und/oder reaktivem lonenätzen geschehen. In diesem Schritt wird die zylinderförmige Struktur gebrochen. Es wird also nur in einem Teil des Nanotubes bzw.Abstandshalter 45 geätzt. Die Strukturierung kann so von statten gehen, dass die zweiteLage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 in einem Abschnitt des Abstandshalters14 weggeätzt werden kann. Somit kann von außen, d. h. von oberhalb der gesamten Anordnung und oberhalb der ersten Opferschicht9 ein Zugang zur zweiten Opferschicht10 bestehen zwischen der erstenLage 15 und der zweitenLage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 zu einem Zwischenraum45zwa . Die Öffnung zu diesem Zwischenraum45zwa kann dabei so groß ausgebildet sein, dass Flüssigkeit, insbesondere Ätzmedium, leicht in den beschriebenen Zwischenraum45zwa zwischen der ersten und der zweitenLage 15 ,25 gelangen kann. Somit kann in einem abschließenden Schritt diezweite Opferschicht 10 leicht durch Ätzen, vorzugsweise chemisches Ätzen, entfernt werden. - b) Aufbringung, z. B. durch Abscheidung, einer weiteren zweiten Opferschicht
11 . Diese kann beispielsweise mittels ALD oder CVD abgeschieden werden. Dabei kann die weitere zweite Lage der Opferschicht11 sowohl die Innenseite der zweitenLage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 indem Loch 7 , welche Teil des elektrischen Pfades bildet, als auch die obere Seite der bisher beschriebenen Struktur bedecken. Diese umfasst insbesondere die ersteOpferschicht 9 und die nach außen gerichtete, d. h.von der Metallisierung 2m entfernten Seite der ersten und zweitenLagen 15 ,25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 , welche oberhalb der ersten Opferschicht9 abgeschieden wurde. Des Weiteren wird in diesemVerfahrensschritt die Membran 3 aufgebracht, insbesondere abgeschieden. Diese umfasst eine Sensorschicht3a , welche auf eine optionale, zuerst abgeschiedenen Schutzschicht3b abgeschieden werden kann.Die Schutzschicht 3b kann ein Oxid umfassen und dieSensorschicht 3a kann im Wesentlichen aus Halbleitermaterial gefertigt sein. - c) Ionenätzen der Struktur. Damit wird die weitere zweite Opferschicht
11 im Lochboden 7 entfernt. Hierdurch kann ein Zugang zur zweitenLage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 im Lochboden 7 geschaffen werden und diese kann kontaktiert werden. Durch Ionenätzen kannselektiv im Lochboden 7 geätzt werden, so dass die weitere zweite Opferschicht11 nur im Lochboden 7 entfernt wird. Allerdings kann noch die weitere zweite Opferschicht11 am Innenrand der Zylinder verbleiben. Auf dieser kann nun abgeschieden werden, ohne dass an der Zylinderwand die zweiteLage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 elektrisch kontaktiert wird (d. h. es kann eine elektrische Isolation bestehen) durch nun abgeschiedene Schichten. - d) Aufbringen einer dritten
Lage 35 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 . Dies erfolgt vorzugsweise durch Abscheidung insbesondere mittels ALD. Anschließend erfolgt eine Strukturierung der drittenLage 35 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 . Die dritteLage 35 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 kann dieMembran 3 , insbesondere dieSensorschicht 3b der Membran 3 , elektrisch und thermisch kontaktieren und mit dem Topfboden verbinden. Wie bereits erwähnt, kann in dem Topfboden eine zweiteLage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 kontaktiert werden. Somit kann sich ein durchgehender elektrischer Pfadvon der Membran 3 bis zur Metallisierung 2m des Substrats2 ausbilden. Der elektrische Pfad kann dabei in elektrischer Flussrichtungvon der Membran 3 über die dritteLage 35 , die zweiteLage 25 , die ersteLage 15 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 bis zur Metallisierung 2m gehen. Im Unterschied zu der in7 beschriebenen Ausführungsform geht der elektrisch leitfähige Pfad in der Schnittfläche durch die Achse z desAbstandshalters 4 . Die Achse z ist in normaler Richtung des Substrats2 durch das Loch 7 ausgebildet bzw. virtuell vorhanden. In der in8 beschriebenen Ausführungsform kann sich der elektrische Pfad in der beschriebenen Schnittebene auf beiden Seiten der Achse z ausbilden. In8d ) kann sich der elektrische Pfad in der beschriebenen Schnittfläche durch die Achse z zuerst ausgehendvon der Membran 3 durch dieder Membran 3 zugewandte Seite der drittenLage 35 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 ausbilden. Anschließend kann er in dieser Schnittebene durch den Topfboden in Richtung der zweitenLage 25 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 auf der derMembran 3 gegenüberliegenden Seite der Achse z desLoches 7 fließen. Dann kann er sich an der derMetallisierung 2m abgewandten Seite der ersten Opferschicht9 in die ersteLage 15 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 ausbilden, und kann sich zum Schlussbis zur Metallisierung 2m ausbilden. Da der elektrisch leitfähige Pfad in dieser Schnittfläche sowohl auf der derMembran 3 zugewandten Seite als auch derMembran 3 abgewandten Seite fließen kann, wird diese Struktur auch als konzentrische Vertikal-Mäander-Nanotube-Strahlungsmeter mit gebrochener Symmetrie bezeichnet. Im Unterschied dazu kann der elektrische Strom in der beschriebenen Schnittfläche in7 lediglich auf einer Seite fließen, weswegen die in7 dargestellte Ausführungsform des Strahlungsmeters auch als konzentrisches Vertikal-Mäander-Nanotube-Strahlungsmeter mit ungebrochener Symmetrie bezeichnet wird.
- a) structuring of the
second layer 25 the electrically and thermally conductive layer8th , For example, this can be done by means of lithography and / or reactive ion etching. In this step, the cylindrical structure is broken. It is only in a part of the nanotube orspacers 45 etched. The structuring can be done in such a way that thesecond layer 25 the electrically and thermally conductive layer8th in a section of the spacer14 can be etched away. Thus, from the outside, ie from above the entire arrangement and above the firstsacrificial layer 9 an access to the secondsacrificial layer 10 exist between thefirst location 15 and thesecond location 25 the electrically and thermally conductive layer8th to a gap45zwa , The opening to this gap45zwa can be made so large that the liquid, in particular etching medium, easily in the space described45zwa between the first and thesecond position 15 .25 can get. Thus, in a final step, the secondsacrificial layer 10 easily removed by etching, preferably chemical etching. - b) application, z. B. by deposition, another second
sacrificial layer 11 , This can be deposited, for example, by means of ALD or CVD. In this case, the further second layer of thesacrificial layer 11 both the inside of thesecond layer 25 the electrically and thermally conductive layer8th in thehole 7 , which forms part of the electrical path, as well as cover the upper side of the structure described so far. This includes in particular the firstsacrificial layer 9 and the outward, ie from themetallization 2m distant side of the first andsecond layers 15 .25 the electrically and thermally conductive layer8th which are above the firstsacrificial layer 9 was separated. Furthermore, in this process step, themembrane 3 applied, in particular deposited. This includes asensor layer 3a , which refers to an optional, first depositedprotective layer 3b can be deposited. Theprotective layer 3b may include an oxide and thesensor layer 3a can be made essentially of semiconductor material. - c) ion etching of the structure. This will be the second
sacrificial layer 11 in thehole bottom 7 away. This allows access to thesecond layer 25 the electrically and thermally conductive layer8th in thehole bottom 7 be created and this can be contacted. By ion etching can selectively in thehole bottom 7 be etched, leaving the other secondsacrificial layer 11 only in thehole bottom 7 Will get removed. However, there may be the secondsacrificial layer 11 remain on the inner edge of the cylinder. On this can now be deposited, without that on the cylinder wall, thesecond layer 25 the electrically and thermally conductive layer8th electrically contacted (ie, there may be electrical insulation) by now deposited layers. - d) Apply a
third layer 35 the electrically and thermally conductive layer8th , This is preferably done by deposition, in particular by means of ALD. Subsequently, a structuring of thethird layer 35 the electrically and thermally conductive layer8th , Thethird location 35 the electrically and thermally conductive layer8th can themembrane 3 , in particular thesensor layer 3b themembrane 3 , electrically and thermally contact and connect to the bottom of the pot. As already mentioned, in the bottom of the pot, asecond layer 25 the electrically and thermally conductive layer8th be contacted. Thus, a continuous electrical path from themembrane 3 untilmetallization 2m of thesubstrate 2 form. The electrical path can be in the electrical flow direction of themembrane 3 about thethird location 35 , thesecond location 25 , thefirst location 15 the electrically and thermally conductive layer8th untilmetallization 2m walk. Unlike the in7 described embodiment, the electrically conductive path in the sectional area passes through the axis z of thespacer 4 , The axis z is in the normal direction of thesubstrate 2 through thehole 7 trained or virtually available. In the in8th described embodiment, the electrical path in the described section plane on both sides of the axis z can form. In8d ), the electrical path in the described sectional area through the axis z, starting from themembrane 3 through themembrane 3 facing side of thethird layer 35 the electrically and thermally conductive layer8th form. Then he can in this sectional plane through the bottom of the pot in the direction of thesecond layer 25 the electrically and thermally conductive layer8th on themembrane 3 opposite side of the axis z of thehole 7 flow. Then he can join themetallization 2m opposite side of the firstsacrificial layer 9 in thefirst location 15 the electrically and thermally conductive layer8th training, and may end up tometallization 2m form. Because the electrically conductive path in this interface both on themembrane 3 facing side and themembrane 3 This structure is also referred to as concentric vertical meander nanotube radiation meters with refracted symmetry. In contrast, the electric current in the described interface in7 flow only on one side, which is why the in7 illustrated embodiment of the radiation meter is also referred to as a concentric vertical meander nanotube radiation meter with unbroken symmetry.
Bezüglich der
In den
Prinzipiell schaut ein wie in
Ausgangspunkt kann in einem Substrat
- a) Falls noch nicht vorhanden, kann auf
ein fertiges Substrat 2 , welches bereits eine Kontaktierung fürden ROIC 6 aufweist, eine optionale Metallisierung64 auf der Oberfläche des Substrats2 aufgebracht, insbesondere abgeschieden, werden. Dies kann mittels ALD oder CVD geschehen. Dies kann zumindest dort geschehen, wo später dieMembran 3 darüber angeordnet werden soll. In anderen Worten kann sich nun dieMetallisierung 64 auf der derMembran 3 zugewandten Oberfläche des Substrats2 befinden. Mit der optionalen Metallisierung64 wird die Absorption von Lichtdurch die Membran 3 gesteigert. Prinzipiell ist der Strahlungsdetektor aber auch ohne die optionale Metallisierung64 funktionsfähig. - b) In diesem Prozessschritt kann (falls noch nicht vorhanden)
eine Vertiefung 67 indas Substrat 2 geätzt werden, so dass dieKontaktierung 63 des Substrats2 zugänglich ist. Dies kann aus der Richtung geschehen, von welcher der Abstandshalter4 angebracht werden kann. Dieser kann zur Kontaktierung der Metallisierung63 des Substrats2 dienen und kann somit zumindest Teil der Verbindung zwischen Membran3 undROIC 6 sein. - c) Auf die bisher beschriebene Struktur wird nun eine erste Opferschicht
9 abgeschieden, welche sowohl die elektrische Kontaktierung ausMetall 67 des Substrats2 als auchden Reflektor 64 bedeckt. - d) Nun wird in
die Opferschicht 9 ein Loch 7 geätzt. Somit ist zumindest ein Teil der elektrischen Kontaktierungsfläche63 des Substrats2 von außen zugänglich. Beispielsweise kann das Ätzen mittels eines DRIE-Prozesses (z. B. eines Boschoder Gyro-Prozesses) oder mittels Ionenätzens geschehen. Dabeisollte das Loch 7 einen Durchmesser aufweisen, so dassein Abstandshalter 4 indem Loch 7 aufgebracht, insbesondere abgeschieden, werden kann. Des Weiteren wird in diesem Prozessschritt vor oder nach dem Ätzen desLoches 7 die Membran 3 abgeschieden. In Reihenfolge wird zuerst eine optionale Schutzschicht3a und anschließend auf die optionale Schutzschicht3a eine Sensorschicht 3b aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch Abscheidung geschehen.Die Sensorschicht 3a kann Halbleitermaterial umfassen. - e) Zum Abschluss wird nun eine elektrisch und thermisch leitfähige Schicht
8 ,15 abgeschieden. Somit ist dieMembran 3 , insbesondere dieSensorschicht 3b , elektrisch und thermisch mit der metallischen Kontaktierung63 des Substrats2 verbunden. Diese elektrisch und thermisch leitfähige Schicht8 ,15 wird nun strukturiert. Dies kann z. B. durch Lithographie oder Ionenätzen geschehen. Somit kann ein elektrischer Pfad, welcher sichvon der Membran 3 bis zur Metallisierung 63 erstreckt, vorhanden sein. Da durch dieVertiefung 67 indem Substrat 2 eine zusätzliche Wegstrecke62 für die gesamte Wegstrecke61 hinzukommen kann, kann sich somit der thermische Widerstand des elektrischen Pfades vergrößern bzw. der thermische Leitwert des elektrischen Pfades kann sich verringern.
- a) If not already available, can be applied to a
finished substrate 2 , which is already a contact for theROIC 6 has, anoptional metallization 64 on the surface of thesubstrate 2 applied, in particular deposited. This can be done by ALD or CVD. This can happen at least where later themembrane 3 to be arranged over it. In other words, now themetallization 64 on themembrane 3 facing surface of thesubstrate 2 are located. With theoptional metallization 64 is the absorption of light by themembrane 3 increased. In principle, the radiation detector is also without theoptional metallization 64 functioning. - b) In this process step can (if not already available) a
depression 67 in thesubstrate 2 be etched so that the contacting63 of thesubstrate 2 is accessible. This can be done from the direction of which thespacer 4 can be attached. This can be used to contact themetallization 63 of thesubstrate 2 can serve and thus at least part of the connection betweenmembrane 3 andROIC 6 be. - c) The structure described so far is now a first
sacrificial layer 9 deposited, which is both the electrical contact ofmetal 67 of thesubstrate 2 as well as thereflector 64 covered. - d) Now get into the sacrificial shift
9 ahole 7 etched. Thus, at least part of the electrical contactingsurface 63 of thesubstrate 2 accessible from outside. For example, the etching may be done by a DRIE process (eg, a Bosch or Gyro process) or by ion etching. This should be thehole 7 have a diameter, so that aspacer 4 in thehole 7 applied, in particular deposited, can be. Furthermore, in this process step, before or after the etching of thehole 7 themembrane 3 deposited. In order, first becomes an optionalprotective layer 3a and then on the optionalprotective layer 3a asensor layer 3b applied. This can be done for example by deposition. Thesensor layer 3a may include semiconductor material. - e) Finally, an electrically and thermally conductive layer
8th .15 deposited. Thus, themembrane 3 , in particular thesensor layer 3b , electrically and thermally with themetallic contact 63 of thesubstrate 2 connected. This electrically and thermally conductive layer8th .15 will now be structured. This can be z. B. done by lithography or ion etching. Thus, an electrical path extending from themembrane 3 untilmetallization 63 extends, be present. Because of thedepression 67 in thesubstrate 2 anextra distance 62 for theentire route 61 Thus, the thermal resistance of the electrical path may increase, or the thermal conductance of the electrical path may decrease.
Beschrieben wurde somit in
Für alle oben beschriebenen Ausführungsbeispiele gilt, dass der zumindest eine erste Abstandshalter
Das in
Prozesstechnisch kann ein solches Ausführungsbeispiel in einem Verfahren mit mehreren Schritten hergestellt werden. Der Ausgangspunkt kann in einem Substrat
- a) Aufbringen, beispielsweise durch Abscheidung, einer
Opferschicht 9 auf dieMetallisierung 2m des Substrats3 - b) Aufbringen, insbesondere Abscheiden, einer
Membran 3 auf dieOpferschicht 9 . Dabei kann auf die beispielsweise planeOberfläche der Opferschicht 9 , zumindest in einem Bereich der beispielsweisen planen Oberfläche, eine optionale Schutzschicht3a aufgebracht, insbesondere abgeschieden werden. Dies kann vorzugsweise durch ALD oder CVD geschehen. Aufdie optionale Schutzschicht 3a wird im Rahmen des Aufbringens derMembran 3 eine Sensorschicht 3b aufgebracht. Dies kann durch Abscheiden geschehen. Insbesondere erfolgt das Aufbringen bzw. Abscheiden auf dieoptionale Schutzschicht 3b und geschieht vorzugsweise mittels ALD oder CVD. Damit ist dieSensorschicht 3b die Schicht, welche am weitestenvon der Metallisierung 2m und dem Substrat 2 entfernt ist.Die optionale Schutzschicht 3b und dieSensorschicht 3a können in diesem Prozessschritt auch strukturiert werden. - c) In diesem Schritt wird die erste
Opferschicht 9 strukturiert. Dies kann durch Ätzens eines Lochs7 in die ersteOpferschicht 9 geschehen. Dies geschieht an der Stelle, an der dieMetallisierung 2m elektrisch und mechanisch über eine elektrisch und thermisch leitfähige Schicht15 bzw.den Abstandshalter 4 kontaktiert werden soll. Beispielsweise kann die Strukturierung der ersten Opferschicht9 mittels eines DRIE-(insbesondere eines Bosch- oder Gyro-)Prozess erfolgen. Dabei wird der Ätzprozess so abgewandelt, dass sich am Rand des normalerweise imWesentlichen zylindrischen Loches 7 Scallops bilden. Als Scallops werden vorzugsweise mikroskopische, bogenförmige Wände bezeichnet. Dies dient dazu den Transport der Phononen durch Oberflächen-Streueffekte sowie durch die resultierende Wegverlängerung signifikant zu beeinflussen. Hierdurch kann ein kleiner thermischer Leitwert erreicht werden. Es sind also indem fertigen Loch 7 in axialer Richtung hintereinander gereihte bogenförmige Ringe des imWesentlichen zylindrischen Loches 7 vorhanden. Diese können hergestellt werden, indem relativ lange in einem konventionellen Bosch-Ätzprozess chemisch geätzt wird, so dass durch die ungerichtete Ätzrichtung am Rand desLoches 7 sich die vorzugsweise mikroskopischen, bogenförmigen Ringe ausbilden können. Wenn man nun die Ätzdauer eines konventionellen Bosch-Prozesses in den einzelnen Schritten im Vergleich zu dem konventionellen Bosch-Prozess deutlich erhöht und solche Ätzvorgänge mehrfach wiederholt, kann sich ein imWesentlichen zylindrisches Loch 7 ausbilden, welches an denWänden sogenannte Scallops 4s aufweisen kann. Alternativ kannein solches Loch 7 ,dessen Wände Scallops 4s aufweisen, erzeugt werden, indem ein Bosch-Prozess modifiziert wird, indem zuerst in dieNormalenrichtung der Metallisierung 2m durch Ionenätzen geätzt wird. Damit kann man in eine gewisse Tiefe gelangen (ca. ¼ – ¾ der Länge eines Bogens). Nun kann wieder chemisch geätzt werden, um durch das chemische Ätzen die bogenförmige Struktur am Rand des bisher geätztenLoches 7 herstellen zu können. Diese beiden Schritte können nun wiederholt werden, so dass sich ein makroskopisch imWesentlichen zylindrisches Loch 7 ausbilden kann, welches von der äußeren Oberfläche, welchevon der Metallisierung 2m auf der entfernten Seite angeordnet sein kann,bis zur Metallisierung 2m des Substrats2 erstrecken kann. Da in dieser Variante zusätzlich durch das Ionenätzen sichergestellt werden kann, dass bei einem erneuten Ätzen der alte, d. h. bisher geätzte Bogen, nicht noch einmal chemisch nachgeätzt wird, können klarere Übergänge zwischen den einzelnen Bögen in dieNormalenrichtung der Metallisierung 2m erreicht werden. - d) Im diesem Prozessschritt geschieht das Aufbringen, insbesondere durch Abscheidung, und die Strukturierung der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht
8 . Eine ersteLage 15 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 wird abgeschieden. Diese kann dieMembran 3 , insbesondere dieSensorschicht 3b der Membran 3 , elektrisch und thermischmit der Metallisierung 2m verbinden. Dabei erstreckt sich die ersteLage 15 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 zumindest teilweise über die nach außen gewandte Oberfläche der ersten Opferschicht9 und über die zylindrische Wand desLoches 7 . Die Abscheidung kann vorzugsweise mittels ALD geschehen, so dass die Wände desLoches 7 inklusive der Bögen, welche dieScallops 4s bilden, mit dem abgeschiedenen Metall der erstenLage 15 der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 beschichtet sein können. Somit bildet sich die vorzugsweise mikroskopische Seitenwandrauigkeit aus. Hierdurch wird Phononentransport durch Oberflächenstreueffekte sowie durch die resultierende Wegverlängerung reduziert. Die Lage der elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 an der Oberfläche der Opferschicht9 ,10 , welchevon der Metallisierung 2m entfernt ist, kann so strukturiert werden, dass sich nur ein schmaler elektrischer Pfad ausbildet. Damit kann der thermische Leitwert des elektrischen Pfades von der Sensorschicht3b bis zum Abstandshalter 4 gemäß Gleichung 4 gering gehalten werden. Durch eine geringe Breite einer elektrisch und thermisch leitfähigen Schicht8 kann ein kleiner thermischer Leitwert erreicht werden.
- a) application, for example by deposition, a
sacrificial layer 9 on themetallization 2m of thesubstrate 3 - b) applying, in particular depositing, a
membrane 3 on thesacrificial layer 9 , It can on the example planar surface of thesacrificial layer 9 at least in a region of the exemplary planar surface, an optionalprotective layer 3a applied, in particular deposited. This can preferably be done by ALD or CVD. On the optionalprotective layer 3a is in the context of applying themembrane 3 asensor layer 3b applied. This can be done by depositing. In particular, the application or deposition takes place on the optionalprotective layer 3b and is preferably done by ALD or CVD. This is thesensor layer 3b the layer which farthest from themetallization 2m and thesubstrate 2 is removed. The optionalprotective layer 3b and thesensor layer 3a can also be structured in this process step. - c) In this step becomes the first
sacrificial layer 9 structured. This can be done by etching ahole 7 into the firstsacrificial layer 9 happen. This happens at the point where themetallization 2m electrical and mechanically via an electrically and thermallyconductive layer 15 or thespacer 4 to be contacted. For example, the structuring of the firstsacrificial layer 9 by means of a DRIE (in particular a Bosch or gyro) process. In this case, the etching process is modified so that at the edge of the normally substantiallycylindrical hole 7 Scallops form. Scallops are preferably called microscopic arcuate walls. This serves to significantly influence the transport of the phonons through surface scattering effects as well as through the resulting path lengthening. As a result, a small thermal conductance can be achieved. So it's in thefinished hole 7 arcuate rings of the substantially cylindrical hole arranged one behind the other in theaxial direction 7 available. These can be made by chemically etching for a relatively long time in a conventional Bosch etch process, such that the non-directional etch direction at the edge of thehole 7 the preferably microscopic, arcuate rings can form. If the etching time of a conventional Bosch process in the individual steps is significantly increased in comparison to the conventional Bosch process and such etching processes are repeated several times, a substantially cylindrical hole can be formed7 train, which on the walls so-calledScallops 4s can have. Alternatively, such ahole 7 whose walls arescallops 4s can be generated by modifying a Bosch process by first in the normal direction of themetallization 2m is etched by ion etching. This allows you to reach a certain depth (about ¼ - ¾ of the length of an arch). Now it is again possible to chemically etch, in order to obtain the arc-shaped structure at the edge of the previously etched hole bychemical etching 7 to be able to produce. These two steps can now be repeated, leaving a macroscopically substantiallycylindrical hole 7 which may be located from the outer surface, which may be located from themetallization 2m on the far side, to themetallization 2m of thesubstrate 2 can extend. As can be ensured in this variant in addition by the ion etching, that in a re-etching of the old, ie previously etched arc is not re-etched again chemically, clearer transitions between the individual sheets in the normal direction of themetallization 2m be achieved. - d) In this process step, the deposition, in particular by deposition, and the structuring of the electrically and thermally conductive layer happens
8th , Afirst location 15 the electrically and thermally conductive layer8th is separated. This can be themembrane 3 , in particular thesensor layer 3b themembrane 3 , electrically and thermally with themetallization 2m connect. In this case, the first layer extends15 the electrically and thermally conductive layer8th at least partially over the outward-facing surface of the firstsacrificial layer 9 and over the cylindrical wall of thehole 7 , The deposition can preferably be done by means of ALD, so that the walls of thehole 7 including the bows that thescallops 4s form, with the deposited metal of thefirst layer 15 the electrically and thermally conductive layer8th can be coated. Thus, the preferably microscopic sidewall roughness forms. This reduces phonon transport through surface scattering effects as well as through the resulting path lengthening. The position of the electrically and thermally conductive layer8th on the surface of thesacrificial layer 9 .10 which of themetallization 2m is removed, can be structured so that forms only a narrow electrical path. Thus, the thermal conductivity of the electrical path of thesensor layer 3b to thespacer 4 be kept low according toequation 4. By a small width of an electrically and thermally conductive layer8th a small thermal conductance can be achieved.
Als Endergebnis resultiert also ein Abstandshalter
Dieses Ausführungsbeispiel, bei welchem die durch die Scallops
Zusammenfassend sind sämtliche Aspekte, Ausführungsbeispiele, Weiterbildungen und Merkmale, soweit technisch sinnvoll, miteinander kombinierbar. Es ist z. B. denkbar, dass Scallops
Sämtliche Aspekte, Ausführungsformen, Varianten und Weiterbildungen sind erfindungsgemäß auch möglich mit einer Membran
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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